[論文レビュー] The Next Generation of Cosmological Measurements with Type Ia Supernovae

D. Scolnic, S. Perlmutter+57 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 58被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、次世代の宇宙論におけるIa型超新星（SNe Ia）の変容的潜在的可能性を概説しており、LSST や WFIRST といった今後の調査計画を活用することで、高赤方偏移域でのSNe Ia検出数が1000倍にまで増加する可能性を示している。統計的パワーの向上に加え、高度な系誤差制御が可能となることで、強引力レンズ効果を用いたダークエネルギー、ハッブル定数、$σ_8$、および宇宙論的パラメータの高精度測定が可能になる。分光法および光度測定法の併用により、距離の精度が向上し、系誤差の低減が実現される。

ABSTRACT

While Type Ia Supernovae (SNe Ia) are one of the most mature cosmological probes, the next era promises to be extremely exciting in the number of different ways SNe Ia are used to measure various cosmological parameters. Here we review the experiments in the 2020s that will yield orders of magnitudes more SNe Ia, and the new understandings and capabilities to constrain systematic uncertainties at a level to match these statistics. We then discuss five different cosmological probes with SNe Ia: the conventional Hubble diagram for measuring dark energy properties, the distance ladder for measuring the Hubble constant, peculiar velocities and weak lensing for measuring sigma8 and strong-lens measurements of H0 and other cosmological parameters. For each of these probes, we discuss the experiments that will provide the best measurements and also the SN Ia-related systematics that affect each one.

研究の動機と目的

• 今後の調査計画による画期的な統計的パワーを活用して、Ia型超新星（SNe Ia）を用いた次世代の宇宙論的測定を可能にすること。
• 新たな調査計画による統計的精度の向上に見合った、SNe Ia距離測定における系誤差を低減すること。
• 標準的なハッブル図を越えて、固有速度、弱引力レンズ効果、強力な引力レンズ時間遅れを含む宇宙論的プローブを拡張すること。
• 画像、分光、分光光度測定を含む多波長・多機器データを統合し、SNe Iaの分類と距離校正の精度を向上させること。
• 高赤方偏移域および局所のSNe Iaサンプルを用いて、ダークエネルギー、ハッブル定数、$σ_8$、重力モデルに対する強固な制約を可能にすること。

提案手法

• ZTF、ASAS-SN、DES、LSST、WFIRST、JWST といった今後の調査計画を活用し、$0 < z < 2$ の範囲で数十万件のSNe Iaを収集する。
• 従来のハッブル図法を応用し、SNe Iaの距離モジュラスと赤方偏移の関係に宇宙論的モデルをフィットさせ、光度測定および分光的サンプルを併用する。
• ピクセル化された分光光度測定を実装し、微細なスペクトル特徴を抽出することで、距離の精度を向上させ、ダストおよび宿主銀河の進化に起因する系誤差を低減する。
• 画像と分光法を統合する：画像を用いて光曲線を測定し、分光法を用いて赤方偏移とSNe分類を実施することで、分類の信頼性を向上させる。
• 銀河赤方偏移調査との相互相関を用いて、SNe Iaの明るさに及ぼす固有速度および弱レンズ効果を調査する。
• LSST や WFIRST から得られる強力にレンズ効果を受けるSNe Iaを活用し、時間遅れを測定し、時間遅れ宇宙論による$H_0$の直接的制約を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSST や WFIRST といった次世代のSNe Ia調査計画は、現在の限界を超えてダークエネルギーの制約をどのように改善できるか？
• RQ2 今後の調査計画の統計的パワーに見合った、SNe Ia距離測定におけるどの系誤差を制御する必要があるか？
• RQ3 SNe Iaの固有速度および弱レンズ効果は、$σ_8$ や重力モデルの制約にどの程度寄与できるか？
• RQ4 強力にレンズ効果を受けるSNe Iaは、どのようにしてハッブル定数$H_0$の直接的かつ独立した測定を可能にするか？
• RQ5 分光光度測定技術は、宿主銀河環境およびダストに起因する系誤差をどの程度低減できるか？

主な発見

• 今後の調査計画により、中赤方偏移域（$z \sim 0.5$）ではSNe Iaが300倍、高赤方偏移域（$z \sim 1.5$）では1000倍にまで増加すると予想されており、主にLSSTとWFIRSTによるものである。
• 光度測定と分光的データの併用、特にピクセル化された分光光度測定により、SNe Iaの微細な区別が可能となり、宿主環境およびダストに起因する系誤差が低減される。
• SN Requiem や iPTF16geu のような強力にレンズ効果を受けるSNe Iaは、時間遅れ宇宙論を用いて$H_0$を直接測定可能であり、1％レベルの精度が期待できる。
• SNe Iaの明るさに及ぼす弱レンズ効果は、ハッブル図の散らばりを用いて調査可能であり、高赤方偏移域での$σ_8$の新たな制約が得られる。
• DES や LSST からの大規模な光度測定サンプルと、分光的に確認されたSNe Iaを併用することで、宇宙論的フィットの統計的頑健性が向上し、バイアスが低減される。
• LUVOIR や OST といった将来的なミッションにより、ハッブル図は$z \approx 5$まで拡張可能となり、SNe Iaを用いて初期宇宙を直接探査できるようになる。