[論文レビュー] Real-time Cosmology with High Precision Spectroscopy and Astrometry

Sukanya Chakrabarti, Anthony H. Gonzalez+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、赤方偏移ドリフトと銀河系速度の加速度を直接測定することで、次世代の高精度分光法および天体測量法を用いて宇宙の加速を測定することを提案している。これにより、ダークエネルギー、ダークマター、一般相対性理論の新たな検証が可能になる。10年間の径方向速度安定性が10 cm/sの精度で達成できるELT（極大望遠鏡）を用いることで、ダークマターの準位構造をマッピングし、幾何的パララックス測定によって宇宙距離階層を固定できることが示された。

ABSTRACT

Breakthroughs in physics and astrophysics are often driven by technological advances, with the recent detection of gravitational waves being one such example. This white paper focuses upon how improved astrometric and spectroscopic measurements from a new generation of precise, accurate, and stable astronomical instrumentation can address two of the fundamental mysteries of our time -- dark energy and dark matter -- and probe the nature of spacetime. Instrumentation is now on the cusp of enabling new cosmological measurements based on redshifts (cosmic redshift drift) and extremely precise time-series measurements of accelerations, astrophysical source positions (astrometry), and angles (cosmic parallax). These allow tests of the fundamental framework of the universe (the Friedmann equations of general relativity and whether cosmic expansion is physically accelerating) and its contents (dark energy evolution and dark matter behavior), while also anchoring the cosmic distance scale ($H_0$).

研究の動機と目的

• 赤方偏移ドリフトによる宇宙の加速の直接測定を可能にし、ダークエネルギーおよび時空幾何学の新たなプローブを提供すること。
• 長基線径方向速度加速度を用いて、銀河系内の重力ポテンシャルおよびダークマター分布をマッピングすること。
• 高精度天体測量による幾何的パララックス測定を用いて、宇宙距離階層を改善すること。
• アクティブな安定化および量子支援干渉計を用いて、高精度径方向速度および天体測量測定における系制度を低減すること。
• 長期間にわたる安定性と観測時間の確保を目的として、専用施設または機器アレイの設立を提言すること。

提案手法

• 10年スケールで10 cm/sの径方向速度精度を達成するため、ピクセル未満の安定性とアクティブフィードバック制御を備えた高分解能分光計を活用する（LIGOにインspired）。
• 赤方偏移の2階微分（dz/dt_obs）を測定することで、宇宙の物理的加速を検出する。
• 二重線技術を適用して、赤方偏移ドリフト測定における系制度を低減し、相対的赤方偏移追跡を可能にする。
• 10mクラスおよび20mクラスの大口径望遠鏡と極大望遠鏡（ELTs）を展開し、銀河系および銀河間の加速度測定に必要な信号対雑音比を確保する。
• 宇宙距離パララックス測定にマイクロアーキューセコンド（μas）の高精度天体測量を実現するため、量子支援光学干渉計を導入する。
• フォトニックランタンツを備えたファイバー結合型望遠鏡アレイを開発し、コスト削減とスケーラブルで安定した分光システムを実現し、長期モニタリングを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker計量を検証できる十分な精度で赤方偏移ドリフトを測定できるか？
• RQ2 銀河系内のダークマター準位構造を加速度測定でマッピングするために必要な最小径方向速度精度は何か？
• RQ3 十年にわたる基線で分光測定における系制度を最小限に抑えるにはどうすればよいか？これにより信頼性のある加速度検出が可能になる。
• RQ4 幾何的天体測量による宇宙距離パララックス測定が、標準キャンドルに依存しない宇宙距離階層の基準を確立できるか？
• RQ5 アクティブな安定化および量子支援干渉計は、宇宙論的応用に向けたマイクロアーキューセコンド未満の天体測量を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• 宇宙の赤方偏移ドリフトは年間で約10−10のオーダーであるため、10 cm/sの径方向速度精度で10年間の分光測定によって測定可能である。
• z ≲ 0.5の赤方偏移ドリフト測定は、ステージIV実験を上回る3倍の図形的妥当性（figure of merit）をもたらす。
• レーザーキャビティフィードバックを用いた分光計のアクティブな安定化により、熱的および機械的ドリフトに起因する系制度を低減でき、数十年にわたる10 cm/sの安定した径方向速度測定が可能になる。
• 10mクラス望遠鏡における高精度径方向速度測定では、10^6 M☉以上の準準位質量を制限可能であるが、低質量準位構造の測定にはcm/sレベルの精度が必要である。
• 近い将来のELT機器を用いた宇宙距離パララックス測定は実現可能であり、量子支援干渉計によるμasスケールの天体測量により、地上ベースの宇宙距離測定が可能になる。
• フォトニックランタンツを備えたファイバー結合型望遠鏡アレイは、従来のELT設計に代わるコスト効率が良く、スケーラブルな代替手段を提供する。2023年初頭にMt. Laguna観測所にプロトタイプを設置する予定である。