[論文レビュー] Facilities for Dark Energy Investigations

David H. Weinberg, Deborah Bard+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 40被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、DES、BOSS、eBOSS、HETDEX、DESI、LSST、Euclid、WFIRSTを含む、米国主導および協働による主なダークエネルギー実験を要約している。これらの実験は、広視野イメージング、分光測定、超新星調査を用いて、宇宙の膨張と構造成長を測定する。弱引力レンズ、バリオン音響振動、赤方偏移空間歪みを組み合わせることで、これらの施設はコスモロジカル定数モデルの検証と一般相対性理論を超えた新物理の探査を目的としている。

ABSTRACT

The discovery of cosmic acceleration has inspired ambitious experimental and observational efforts to understand its origin. Many of these take the form of large astronomical surveys, sometimes using new, special-purpose instrumentation, and in some cases entirely new facilities. This Report summarizes some of the major ongoing and planned dark energy experiments, focusing on those in which the U.S. community has a leading or significant supporting role. It provides background information for other Reports from the "Dark Energy and CMB" working group of the APS Division of Particles and Fields long-term planning exercise. We provide 1-2 page summaries of the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and its SDSS-IV successor eBOSS, the Dark Energy Survey (DES), the Subaru Hyper-Suprime Camera (HSC) and Prime Focus Spectrograph (PFS), the Hobby-Eberley Telescope Dark Energy Experiment (HEDTEX), the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), the Large Synpotic Survey Telescope (LSST), and the Euclid and AFTA-WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) space missions. Over the next one to two decades, these experiments seek to improve the precision of measurements of the cosmic expansion history and cosmic structure growth by factors of 10-100, while simultaneously increasing their redshift range and tightening control and cross-checks of sytematic effects. These measurements will dramatically improve the empirical constraints on theoretical explanations of cosmic acceleration and could lead to breakthroughs in our understanding of the nature of gravity and spacetime or the forms of energy present in the universe.

研究の動機と目的

• 米国および国際共同で実施・計画中の主要なダークエネルギー実験の包括的概要を提供すること。
• これらの施設が、宇宙の膨張歴史および大規模構造の成長を、精度を高めて測定する科学的潜在能力を評価すること。
• 弱引力レンズ、バリオン音響振動、および超新星距離測定を通じて、ダークエネルギーの性質をどのように探査するかを強調すること。
• これらのデータセットがコスモロジーを越えて与える広範な科学的影響、特にニュートリノ質量、ダークマター、インフレーションに関する制約を評価すること。
• 今後10年間における正確な宇宙論を進展させるために、主要な施設とその役割を特定し、コミュニティ計画を支援すること。

提案手法

• 広視野イメージング調査（例：DES、HSC、LSST）を用いて、大規模構造をマッピングし、弱引力レンズを測定する。
• 広視野分光測定調査（例：BOSS、eBOSS、HETDEX、DESI）を用いて、バリオン音響振動（BAO）および赤方偏移空間歪み（RSD）を測定する。
• 合成的超新星調査（例：SDSS-II SN、DES）を実施し、光度測定と分光的追従を用いて距離-赤方偏移関係を測定する。
• 赤方偏移の光度測定と分光的確認を統合することで、超新星のリアルタイム分光測定における時間的圧力を軽減する。
• 宇宙望遠鏡（Euclid、WFIRST）のデータを統合し、赤外線領域における深さのある弱引力レンズおよびスリットレス分光測定を実施する。
• 複数施設の連携を活用して、測定の相互校正を図り、ダークエネルギーおよび修正重力に関する宇宙論的制約を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および将来の施設が、複数のプローブを用いて、宇宙の膨張歴史をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ2 弱引力レンズおよび銀河クラスタリングデータが、ダークエネルギーの性質や一般相対性理論からの逸脱をどの程度制約できるか？
• RQ3 異なる赤方偏移でBAO、RSD、およびIa型超新星データを統合することで、どのような宇宙論的制約が達成可能か？
• RQ4 これらの実験のデータが、ニュートリノ質量、相対論的粒子、インフレーション物理学に関する制約をどの程度改善するか？
• RQ5 将来の重力波「スタンダード・シーレン」の潜在的役割は、独立した距離測定を提供し、宇宙加速を検証するのにどの程度有効か？

主な発見

• ダークエネルギー調査（DES）は2013年秋に、ブラウノ4m望遠鏡に搭載されたダークエネルギー・カメラを用いて稼働を開始し、5年間の調査期間を有する。
• BOSSおよびeBOSSは、スローン2.5m望遠鏡を用いて、バリオン音響振動および赤方偏移空間歪みの高精度測定を達成した。
• HETDEXは、1.9 < z < 3.5の範囲でLyα発光体を広視野分光測定によりマッピングすることを目的としており、高赤方偏移における宇宙膨張の独自の制約を提供する。
• DESIは、メイヨー4m望遠鏡を用いて5年間の分光測定調査を実施し、BAOおよびRSD測定を目的として3500万個以上の銀河およびクェーサーを標的とする。
• LSSTは2020年に稼働を開始予定で、10年間の広視野イメージング調査を実施し、前例のない深さと動的範囲を実現する。
• EuclidおよびWFIRSTは2020–2021年に打ち上げを予定する宇宙ミッションであり、深さのある広視野弱引力レンズおよび分光測定調査を提供し、ダークエネルギーおよび修正重力の探査を可能にする。