[論文レビュー] The DESI Experiment, a whitepaper for Snowmass 2013

M. E. Levi, C. Bebek+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2013

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 3被引用数 370

ひとこと要約

DESI実験は、マヤール4メートル望遠鏡を用いて、1,800万個の発光線を持つ銀河、400万個の明るい赤銀河、300万個のクェーサーの赤方偏移を取得する、大規模に多重化されたスペクトロスコピック調査を提案している。これにより、35個の赤方偏移チャンクにわたり、バリオン音響振動（BAO）と赤方偏移空間歪み（RSD）を用いて宇宙距離スケールを1%の精度で測定可能であり、予想されるダークエネルギーの図形的指標（FOM）は2,723に達し、BOSSの100倍以上であり、これは段階IVのダークエネルギー実験として画期的なものである。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is a massively multiplexed fiber-fed spectrograph that will make the next major advance in dark energy in the timeframe 2018-2022. On the Mayall telescope, DESI will obtain spectra and redshifts for at least 18 million emission-line galaxies, 4 million luminous red galaxies and 3 million quasi-stellar objects, in order to: probe the effects of dark energy on the expansion history using baryon acoustic oscillations (BAO), measure the gravitational growth history through redshift-space distortions, measure the sum of neutrino masses, and investigate the signatures of primordial inflation. The resulting 3-D galaxy maps at z<2 and Lyman-alpha forest at z>2 will make 1%-level measurements of the distance scale in 35 redshift bins, thus providing unprecedented constraints on cosmological models.

研究の動機と目的

• 35個の赤方偏移チャンクにわたり、バリオン音響振動（BAO）と赤方偏移空間歪み（RSD）を用いて、宇宙距離スケールを1%の精度で測定することで、ダークエネルギー宇宙論を前進させること。
• DES（弱引力レンズ）やLSST（超新星）といった既存のダークエネルギー調査を補完し、スペクトロスコピック大規模構造に焦点を当てることで、米国のダークエネルギー計画における重要な空白を埋めること。
• クェーサーのスペクトルにおけるライマン＝アルファフォレストを用いて、赤方偏移z > 2の領域までBAO測定を拡張し、z > 2における膨張歴史の最初の高精度測定を可能にすること。
• RSDおよびアックォフ＝パツィンステストを通じて、ニュートリノ質量の総和、初期宇宙の非ガウス性、構造形成の成長率といった、基本的な宇宙論的パラメータを制約すること。
• DESの完了とLSSTの開始の間の空白期間中も、ダークエネルギー測定の継続を確保することで、米国が宇宙論分野でリーダーシップを維持すること。

提案手法

• DESIは、マヤール4メートル望遠鏡に搭載されたファイバー駆動型マルチオブジェクトスプレクトログラフを用い、同時に最大5,000個の銀河の赤方偏移を取得することで、1,800万個の発光線銀河、400万個の明るい赤銀河、300万個のクェーサーを対象とした大規模な調査を実現する。
• 調査は3つの主要な赤方偏移トレーサーを標的としている：発光線銀河（ELGs）、明るい赤銀河（LRGs）、クェーサー（QSOs）。z > 2の構造を調査するには、クェーサーのスペクトルにおけるライマン＝アルファフォレストの吸収を用いる。
• BAO測定は、銀河およびクェーサーの大規模分布に刻まれた音響振動の特徴的スケールを検出することで行われ、誤差推定は相関関数の投影およびスケール拡張に基づく。
• RSD測定は、赤方偏移空間相関関数の非等方性を分析することで実施され、成長率パラメータfσ₈に情報を含む。
• 調査は、14,000～18,000平方度の角度的および赤方偏移カバー範囲と高い標的密度を組み合わせることで、調査体積と信号対雑音比を最大化し、システムティック誤差は再構成技術によって緩和される。
• 宇宙論的制約は、プランクの事前情報と、バイアスの進化や非線形赤方偏移空間歪みといったシステムティック効果をモデル化したフィッシャー行列予測フレームワークを用いて導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DESIは、z = 1.7まで35個の赤方偏移チャンクにわたり、バリオン音響振動（BAO）スケールをどの程度の精度で測定できるか？
• RQ2 0.2 < z < 1.6の範囲で、DESIは赤方偏移空間歪み（RSD）を用いて構造形成の成長率をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ3 クェーサーのスペクトルにおけるライマン＝アルファフォレストを用いて、DESIはどの程度までBAO測定を赤方偏移z > 2にまで拡張できるか？
• RQ4 BAO、RSD、およびアックォフ＝パツィンステストを統合することで、DESIはニュートリノ質量の総和および初期宇宙の非ガウス性にどの程度の制約を課せるか？
• RQ5 DESIのダークエネルギー図形的指標（FOM）は、BOSSなどの既存実験やLSSTのような将来的な調査と比べて、どのように異なるか？

主な発見

• DESIは、14,000平方度の調査領域（14k-HD）を高密度でスキャンすることで、ダークエネルギーの図形的指標（FOM）が2,723に達すると予想されており、BOSSの12倍、段階II実験の100倍の改善となる。
• BAO距離スケールの誤差は、z = 1.7までに至るΔz = 0.2のチャンクごとに0.35～1.1%にまで抑えられ、全赤方偏移範囲で合計精度は0.17%に達する。
• クェーサーの吸収ラインを通じたライマン＝アルファフォレスト測定により、1.9 < z < 4の範囲で1チャンクあたり約1%のBAO距離誤差が得られ、合計精度は0.37%に達する。
• RSDによるfσ₈パラメータの測定では、0.2 < z < 1.6の範囲でチャンクごとの誤差が2%未満となり、合計精度は0.35%に達する。
• 18,000平方度の調査領域をカバーすることで、DESIはFOMが3,369に達すると予想され、段階IVの目標（段階II実験の10倍の改善）を大幅に上回る。
• 本調査は、35個の赤方偏移チャンクにわたり、距離スケールを1%の精度で制約する初の試みであり、ダークエネルギー、ニュートリノ質量、インフレーションの痕跡といった宇宙論的モデルに対する画期的なテストを可能にする。