[論文レビュー] Report by the ESA-ESO Working Group on Fundamental Cosmology

J. A. Peacock, Petra Schneider+5 more|ArXiv.org|Oct 30, 2006

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 39

ひとこと要約

このESA-ESO作業部会レポートは、宇宙と地上の施設の連携を強調し、基礎的宇宙論の前進を図るものであり、特にダークマター、ダークエネルギー、原始重力波に焦点を当てる。CMB偏光の共同宇宙ミッション、ELTを用いたクェーサー分光測定、LISAによるインフレーションおよび基本定数の探査を提言する。高精度な光度赤方偏移と複数手法の統合が、系制度を低減し、新しい物理を明らかにするために不可欠である。

ABSTRACT

ESO and ESA agreed to establish a number of Working Groups to explore possible synergies between these two major European astronomical institutions. This Working Group's mandate was to concentrate on fundamental questions in cosmology, and the scope for tackling these in Europe over the next ~15 years. One major resulting recommendation concerns the provision of new generations of imaging survey, where the image quality and near-IR sensitivity that can be attained only in space are naturally matched by ground-based imaging and spectroscopy to yield massive datasets with well-understood photometric redshifts (photo-z's). Such information is essential for a range of new cosmological tests using gravitational lensing, large-scale structure, clusters of galaxies, and supernovae. Great scope in future cosmology also exists for ELT studies of the intergalactic medium and space-based studies of the CMB and gravitational waves; here the synergy is less direct, but these areas will remain of the highest mutual interest to the agencies. All these recommended facilities will produce vast datasets of general applicability, which will have a tremendous impact on broad areas of astronomy.

研究の動機と目的

• 基礎的宇宙論における最も重要な未解決問題、特にダークマターとダークエネルギーに関する問題を特定すること。
• 宇宙物理学的手法で取り扱える宇宙論的問題と、今後15年間におけるヨーロッパ施設で最も有望な手法を評価すること。
• 弱引力レンズ、大規模構造、超新星を含む、宇宙論的検証の進展に寄与するESOおよびESA施設の科学的潜在力と相乗効果を評価すること。
• 科学的インパクトと技術的実現可能性に基づき、特に宇宙ベースのCMB偏光ミッションおよび宇宙船搭載重力波検出器といった将来の大規模施設を提言すること。
• 系制度を診断し、潜在的な新しい物理を検出するため、複数の手法による検証を推進することで、宇宙論的制約の堅牢性を確保すること。

提案手法

• ESOのELTとESAの宇宙ミッションの相乗効果を強調し、宇宙と地上の観測戦略を統合し、多波長・多手法による宇宙論的検証を推進する。
• 空間（ハッブル望遠鏡クラスの解像度）と地上（分光的補正）の両方の調査を統合した光度赤方偏移（photo-z）を活用し、正確な宇宙論的検証を可能にする。
• ELTを用いた高分解能クェーサー分光測定を提案し、宇宙間媒体の調査と宇宙論的パラメータの赤方偏移依存性の測定を実現する。
• 次世代のCMB偏光実験を提言し、Bモード信号の検出を可能にし、インフレーション由来の原始重力波を直接探査する。
• LISAによる宇宙ベースの重力波検出を推進し、低周波数重力波を観測し、インフレーションモデルを検証する。
• 複数手法による検証を強調：超新星、レンズ効果、銀河団、CMBを用いた結果の相互検証により、系統的誤差を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論における最も緊急な基礎的問題、特にダークマターとダークエネルギーに関連する問題は何か？
• RQ2 どの宇宙論的問題が、天文的手法によってのみ、あるいは最も効果的に取り扱えるか？
• RQ3 光度赤方偏移と多波長調査をどのように最適化すれば、宇宙論的パラメータ推定における系統的誤差を低減できるか？
• RQ4 将来の宇宙ベースCMB偏光ミッションは、原始重力波の検出とインフレーションの検証にどのような役割を果たすか？
• RQ5 地上のELTを用いた宇宙間媒体およびクェーサー吸収線の観測は、ダークエネルギーおよび時間変動する基本定数の制約をどのように向上させるか？

主な発見

• 高感度を備えた将来的なCMB偏光衛星は、単純なインフレーションモデルが予測するBモード信号（r ≈ 0.15）を検出するために不可欠であり、地上加速器の約10^12倍のエネルギー領域でのインフレーションの直接的検証が可能となる。
• ELTを用いたクェーサー分光測定により、宇宙論的赤方偏移の時間的依存性が測定可能であり、リャン・アルファフォレストを介して原始パワースペクトルの傾きと走化（running）を調査し、スペクトル形状に対する最大のレバーアームが得られる。
• 宇宙と地上の調査を統合した高精度な光度赤方偏移は、弱引力レンズ、銀河団調査、超新星宇宙論において不可欠であり、高精度な宇宙論的検証を可能にする。
• 細孔構造定数αの時間変動に関する議論をはらむ主張は、ELTを用いたより広範なサンプルと複数の原子トレーサーを用いることで検証可能となり、ダークエネルギーのダイナミクスと関連付ける可能性がある。
• LISAおよびその後続機器は、原始重力波の独自で補完的な窓口を提供し、上界限のみでも、広範なスケールにわたる極めて重要な物理的洞察をもたらす。
• 15年スパンを過ぎるが、スケールキロメートルアレイ（SKA）は、観測可能な全宇宙にわたる中性水素を赤方偏移させ、画期的なスケールでバリオン音響振動の研究を可能にする転換的将来施設として特定されている。