[論文レビュー] Peculiar velocity cosmology with type Ia supernovae

Romain Graziani, M. Rigault+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ZTFおよびLSST調査を用いて2027年までに5%の精度で宇宙構造の成長率 $fD$ を直接測定するため、Type Ia超新星（SNeIa）を特異速度の高精度 tracerとして使用することを提案する。分光的赤方偏移と銀河バイアスの低減を活用することで、重力モデルの検証と $H_0$ の矛盾の解消が可能となり、専用の分光計を用いることでLSST運用開始後2年以内に5%未満の精度が達成可能である。

ABSTRACT

Type Ia Supernovae have yet again the opportunity to revolutionize the field of cosmology as the new generation of surveys are acquiring thousands of nearby SNeIa opening a new era in cosmology: the direct measurement of the growth of structure parametrized by $fD$. This method is based on the SNeIa peculiar velocities derived from the residual to the Hubble law as direct tracers of the full gravitational potential caused by large scale structure. With this technique, we could probe not only the properties of dark energy, but also the laws of gravity. In this paper we present the analytical framework and forecasts. We show that ZTF and LSST will be able to reach 5\% precision on $fD$ by 2027. Our analysis is not significantly sensitive to photo-typing, but known selection functions and spectroscopic redshifts are mandatory. We finally introduce an idea of a dedicated spectrograph that would get all the required information in addition to boost the efficiency to each SNeIa so that we could reach the 5\% precision within the first two years of LSST operation and the few percent level by the end of the survey.

研究の動機と目的

• Type Ia超新星を特異速度 tracer として用いることで、バイアスのない直接的な構造の成長率 $fD$ 測定を可能にする。
• Tully-Fisher や Fundamental Plane などの銀河ベースの距離指標が直受ける銀河バイアスおよび低精度の制限を克服する。
• 近来のZTFおよびLSST調査を用いて、低赤方偏移（$z<0.18$）のSNeIaに注目し、2027年までに $fD$ に対して5%の精度を達成する。
• LSSTが発見するすべてのSNeIaについて、迅速かつ高精度な分類と赤方偏移測定を可能にする専用の積分場分光計の提案。
• 既知の調査選択関数を用いた前方モデル化により、マールムクイストバイアスや選択関数効果といった系誤差に対するロバスト性を確保する。

提案手法

• SNeIaの赤方偏移におけるハッブル則からの残差を、視線方向の特異速度、ひいては大規模構造の重力ポテンシャルを直接示す tracer として用いる。
• 構造の成長率 $fD$ を $fD = \Omega_m^\gamma$ としてモデル化し、$\gamma$ を $\Lambda$CDMにおける一般相対性理論からのずれをパラメータライズする。
• 調査選択関数を考慮した前方モデル化を適用し、限 magnitude サンプルにおけるマールムクイストバイアスを緩和する。
• 分光的赤方偏移（$\sigma_z \sim 10^{-4}$）と光度的分類を用いて、正確な距離および速度測定を保証する。
• LSSTが発見するすべてのSNeIaについて、同時に赤方偏移、分類、径方向速度を取得できる専用の積分場分光計を導入し、効率性と精度を向上させる。
• 完全でよく特徴付けられた $z<0.18$ のSNeIaサンプルを仮定し、現実的なZTFおよびLSST調査シミュレーションを用いた予測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Type Ia超新星は、5%の精度レベルで構造の成長率 $fD$ をバイアスのない測定が可能か？
• RQ2 SNeIaからの特異速度測定は、$H_0$ の矛盾をどれほど解消し、修正重力モデルをどれほど検証できるか？
• RQ3 分光的赤方偏移と光度的分類の導入は、$fD$ 評価の精度とロバスト性にどのように影響するか？
• RQ4 LSST SNeIaのための専用分光計により、$fD$ における5%精度に到達するまでの時間が5年から3年未塔に短縮可能か？
• RQ5 マールムクイストバイアスのような選択効果は $fD$ 評価にどのように影響するか？ また、既知の選択関数を用いた前方モデル化により是正可能か？

主な発見

• ZTFおよびLSST調査により、2027年までに低赤方偏移SNeIaを用いて構造の成長率 $fD$ に対して5%の精度測定が可能になると予想される。
• 本手法は光度的分類に対してロバストであるが、高精度な $fD$ 評価を得るためには $\sigma_z \sim 10^{-4}$ の分光的赤方偏移が必要である。
• 専用の積分場分光計を用いることで、LSST運用開始後2年以内に $fD$ に対する5%精度に到達可能であり、調査終了時には1%未満の精度が達成可能である。
• 銀河バイアスに依存しない速度のみの解析でも、SNeIaの位置情報がなくても2028年までに $fD$ に対して5%の精度に到達可能である。
• SNeIaの $0.12\,\mathrm{mag}$ 散乱モデルを $z<0.25$ まで拡張可能であり、これにより $fD$ の不確実性が15%低減され、精度の向上が加速される。
• マールムクイストバイアスや選択関数の不確実性といった系誤差は、既知の調査選択関数を用いた前方モデル化により緩和可能であり、$fD$ 推論のロバスト性が保証される。