[論文レビュー] Direct detection of the cosmic expansion: the redshift drift and the flux drift

Krzysztof Bolejko, Chengyi Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、次世代の望遠鏡を用いて10年間の期間にわたり測定可能な赤方偏移ドリフトとフラックスドリフトを組み合わせることで、宇宙膨張の直接検出が顕著に向上することを提案している。宇宙加速の直接的プローブがELTやフルSKAが稼働する前にも可能になる可能性がある。

ABSTRACT

The redshift drift, the change of cosmological redshift with time, is a direct consequence of the expansion of the Universe. Thus the measurement of the cosmological redshift drift will offer a direct test of our models of cosmology. The magnitude of the effect is very small, i.e. the spectral shift is of order of $10^{-10} - 10^{-9}$ over the period of a decade, but the next generation facilities such as ELT and SKA will be able to directly detect the expansion of our Universe by the year 2040. In this paper we focus on detectebility of this effect, including strategies of overcoming the kinematic contamination of the cosmological signal. We also show that the redshift drift directly impacts the change of flux. Thus apart from the redshift drift, measurements of the flux drift will provide an additional tool of detecting the expansion of the universe, including its acceleration. We discuss the strategies of detecting the flux drift and show that by including the flux drift signal to the redshift drift signal we boost the chances of a direct detection of the expansion of the Universe. We show that if only the stability of flux is at the level of $ΔF/F \sim 10^{-6}$ then the SKA1-mid Array should be able to detect these effects, before the ETL and the full SKA. Thus, by including the flux drift into the SKA1-mid Array's analysis pipeline, we could be able to provide by mid-2030s a direct evidence of the expansion of the universe including its accelerating phase.

研究の動機と目的

• 次世代の望遠鏡を用いた宇宙赤方偏移ドリフトおよびフラックスドリフトの検出可能性を評価すること。
• 宇宙赤方偏移ドリフト信号を隠す可能性がある運動論的汚染を扱うこと。
• フラックスドリフトを宇宙膨張の補足的プローブとして使用する可能性を検討すること。
• SKA1-midアレイがELTやフルSKAよりも早く宇宙膨張の直接検出を達成できるかどうかを評価すること。
• フラックス安定性が、特にダークエネルギーのパラメータに与える影響を定量化すること。

提案手法

• FLRW計量を用いて理論的赤方偏移ドリフトを導出し、H(z)がΩₘおよびΩ_Λに依存する形でẋ = H₀(1+z) − H(z)として表現する。
• 地球の運動に起因する運動論的汚染を、相対論的ドップラー効果および歪み効果を用いて、βの1次まででモデル化する。
• 安定した高赤方偏移の電波源を用いてフラックスドリフトを測定することを提案し、フラックス距離関係の時間微分からフラックスドリフト信号を導出する。
• 赤方偏移ドリフトとフラックスドリフトの信号を統合し、検出感度を向上させるための共同解析パイプラインを構築する。
• モンテカルロシミュレーションおよびフィッシャー行列予測を用いて、w₀およびwₐ（ダークエネルギー状態方程式パラメータ）の制約を推定する。
• 必要なフラックス安定性（ΔF/F）に基づいた検出閾値を評価し、SKA1-mid、ELT、フルSKAの性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および将来の電波望遠鏡でフラックスドリフトを検出可能か？ その場合、どの程度のフラックス安定性が必要か？
• RQ2 赤方偏移ドリフトとフラックスドリフトを組み合わせることで、赤方偏移ドリフト単体に比べて宇宙膨張の検出感度がどのように向上するか？
• RQ3 地球の公転運動に起因する運動論的汚染が赤方偏移ドリフト測定に与える影響は何か？ また、どのようにしてこれを軽減できるか？
• RQ4 どの程度のフラックス安定性（ΔF/F）で、フラックスドリフトの導入がダークエネルギーパラメータの制約を顕著に改善するか？
• RQ5 十分なフラックス安定性があると仮定した場合、SKA1-midアレイはELTやフルSKAよりも早く宇宙膨張を検出可能か？

主な発見

• 赤方偏移ドリフト信号はz ∼ 1.2で最大となり、高赤方偏移ではますます負の値をとる。10年間のベースラインでその大きさは約10⁻¹⁰である。
• 放射線源のフラックス安定性がΔF/F ∼ 10⁻⁶に達するならば、SKA1-midアレイは2030年代半ばまでに赤方偏移ドリフトおよびフラックスドリフトの両効果を検出可能である。
• フラックスドリフトの検出により、ダークエネルギー状態方程式（w₀, wₐ）の制約が改善され、ΔF/F ∼ 10⁻⁵では図の優位性（Figure of Merit）が7.5倍、ΔF/F ∼ 10⁻⁶では1,400倍に向上する。
• ΔF/F ∼ 10⁻⁴でさえも、赤方偏移ドリフト単体に比べてフラックスドリフトの導入により図の優位性が2倍に向上する。
• 地球の公転運動に起因する運動論的汚染は、1cm/s未満の精度でモデル化する必要があり、そうでなければ宇宙論的信号が隠蔽される可能性がある。
• フラックスドリフト信号は、光度距離の時間微分と直接関連しており、宇宙加速に敏感である。したがって、これは貴重な補足的プローブである。