[論文レビュー] Ultra-large scale cosmology with next-generation experiments

David Alonso, Philip Bull+3 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、次世代の大規模構造サーベイにおける相対論的宇宙論的効果の検出可能性を予測しており、弱いレンズ効果の拡大と原始的非ガウス性を含む。単一トレーサーのパワー スペクトルでは、新しい一般相対性理論的効果は検出不可能であるが、系誤差が抑制されれば、共同予測により原始的非ガウス性のσ(f_NL) ≈ 1–2の不確実性が達成可能であることが判明した。

ABSTRACT

Future surveys of large-scale structure will be able to measure perturbations on the scale of the cosmological horizon, and so could potentially probe a number of novel relativistic effects that are negligibly small on sub-horizon scales. These effects leave distinctive signatures in the power spectra of clustering observables and, if measurable, would open a new window on relativistic cosmology. We quantify the size and detectability of the effects for a range of future large-scale structure surveys: spectroscopic and photometric galaxy redshift surveys, intensity mapping surveys of neutral hydrogen, and continuum surveys of radio galaxies. Our forecasts show that next-generation experiments, reaching out to redshifts z ~ 4, will not be able to detect previously-undetected general-relativistic effects from the single-tracer power spectra alone, although the contribution of weak lensing magnification on large scales should be clearly detectable. We also perform a rigorous joint forecast for the detection of primordial non-Gaussianity through the excess power it produces in the clustering of biased tracers on large scales, finding that uncertainties of sigma(f_NL) ~ 1-2 should be achievable. We discuss the systematic effects that must be mitigated to achieve this level of sensitivity, and some alternative approaches that should help to improve the constraints.

研究の動機と目的

• 次世代の大規模構造サーベイを用いて、超大スケール宇宙論における相対論的効果の検出可能性を評価すること。
• 将来のスペクトロスコピック、光度測定、強度マッピング、および電波連続スペクトルサーベイが一般相対性理論補正にどれほど感度を持つかを評価すること。
• 大スケールでのバイアス付きトレーサークラスタリングにおける過剰なパワーを介して、原始的非ガウス性の共同検出を予測すること。
• 将来の実験における感度を制限する可能性がある主要な系誤差を特定および対処すること。
• 単一トレーサーのパワー スペクトルを超える、宇宙論的パラメータの制約を改善する代替手法を検討すること。

提案手法

• スレートロスコピックおよび光度測定の銀河赤方偏移サーベイ、中性水素の強度マッピング、電波銀河の連続スペクトルサーベイを含む、複数のサーベイタイプからのクラスタリング観測量のパワー スペクトルに基づく予測を用いる。
• 大スケールの相対論的効果（弱いレンズ効果の拡大およびその他のホライズンスケール補正）をモデル化するために、相対論的摂動理論を適用する。
• 超ホライズンスケールでのバイアス付きトレーサークラスタリングに引き起こされる過剰パワーを介して、原始的非ガウス性の共同予測を実施する。
• z ~ 4までの現実的なサーベイ設定下で、宇宙論的パラメータ、特にf_NLの信号対雑音比と誤差バーを定量化する。
• 光度測定赤方偏移誤差や非線形バイアス化といった系誤差を予測フレームワークに組み込む。
• 感度を向上させる代替手法を評価する。これには、マルチトレーサー技術やスケール依存バイアスモデリングが含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代の大規模構造サーベイは、宇宙論的ホライズンスケールで未観測の一般相対性理論的効果を検出可能か？
• RQ2 大スケールクラスタリングからの共同予測を用いることで、原始的非ガウス性（f_NL）の感度はどの程度達成可能か？
• RQ3 光度測定赤方偏移誤差や非線形バイアス化といった系誤差は、相対論的効果の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 弱いレンズ効果の拡大は、将来のサーベイにおける大スケールパワー スペクトルにどの程度寄与するか？
• RQ5 単一トレーサーのパワー スペクトルを超える、宇宙論的パラメータの制約を改善する代替手法は何か？

主な発見

• 赤方偏移z ~ 4に達する次世代サーベイでは、単一トレーサーのパワー スペクトルのみでは、未観測の一般相対性理論的効果を検出できない。
• 弱いレンズ効果の拡大が、将来的なサーベイにおける大スケールパワー スペクトルに明確に寄与することが予想される。
• 共同予測による原始的非ガウス性では、σ(f_NL) ≈ 1–2の不確実性が達成可能であり、非ガウス的シグネチャーに対する高い感度が示された。
• 光度測定赤方偏移誤差や非線形バイアス化といった系誤差は、予測された感度レベルに達するためには注意深く抑制する必要がある。
• マルチトレーサー技術やスケール依存バイアスモデリングを含む代替手法は、宇宙論的パラメータの制約を向上させると予想される。
• 本研究は、ホライズンスケールの相対論的効果は依然として検出が困難である一方で、原始的非ガウス性は次世代宇宙論における有望なターゲットであることを示している。