[論文レビュー] Update on the BINGO 21cm intensity mapping experiment

Richard A. Battye, I. W. A. Browne+22 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、中性水素の統合21cm放射を検出することで、赤方偏移範囲 z=0.13–0.48 におけるバリオン音響振動（BAO）スケールを測定することを目的とした単焦点電波望遠鏡である BINGO 21cm強度マッピング実験の最新進捗を提示する。50本のホーンアレイと2000 deg² の1年間の調査を想定し、BINGO は BAO スケールを δk_A/k_A ≈ 0.025 の精度で制約し、Planck CMB データと組み合わせることで、ダークエネルギーの状態方程式 w について Δw ≈ 0.1 の制約を達成する予定である。

ABSTRACT

21cm intensity mapping is a novel approach aimed at measuring the power spectrum of density fluctuations and deducing cosmological information, notably from the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO). We give an update on the progress of BAO from Integrated Neutral Gas Observations (BINGO) which is a single dish intensity mapping project. First we explain the basic ideas behind intensity mapping concept before updating the instrument design for BINGO. We also outline the survey we plan to make and its projected science output including estimates of cosmological parameters.

研究の動機と目的

• 中性水素の21cm強度マッピングを用いて、赤方偏移範囲 z=0.13–0.48 におけるバリオン音響振動（BAO）スケールを測定すること。
• Planck CMB 観測と組み合わせることで、ダークエネルギーの状態方程式 w についての制約を強化すること。
• ダークエネルギー調査（DES）などの光学赤方偏移調査との相互相関を可能にし、宇宙加速に関する制約を強化すること。
• 広視野・ドリフトスキャン観測を用いて、高速電波パulses（FRBs）と銀河平面放射を検出すること。
• 強度マッピングからの HI 力学スペクトルを用いて、ニュートリノ質量と赤方偏移空間歪みを調査すること。

提案手法

• 大面積の空域にわたり中性水素の21cm放射を統合的に測定できる、40アングストロームのビーム分解能を持つ単焦点電波望遠鏡を活用する。
• 50本のフィードホーンからなる焦点面アレイを設置し、高い感度と即時の広視野カバレッジを実現する。
• 約2000 deg² をカバーする1年間のドリフトスキャン調査を実施し、HIフラクチュエーションの3次元パワー スペクトルをマッピングする。
• 成分分離技術を適用して、銀河的および前景放射からの宇宙論的信号を分離する。
• 約50 mK s¹ᐟ² の熱雑音制限感度を用いて、1 MHz の帯域幅で21cm信号を検出する。
• Planck CMB 観測とデータ統合により、w や ∑mν などの宇宙論的パラメータの制約を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 21cm強度マッピングを用いて、赤方偏移範囲 z=0.13–0.48 において、BAO スケールを1%未満の精度で測定できるか？
• RQ2 Planck CMB データと組み合わせた場合、BINGO がダークエネルギーの状態方程式 w についてどの程度制約を強化できるか？
• RQ3 BINGO からの HI パワー スペクトルは、ニュートリノ質量や赤方偏移空間歪みの兆候を検出できるか？
• RQ4 BINGO は、高速電波パulses（FRBs）の検出およびその宿主天体同定の可能性をどの程度有しているか？
• RQ5 BINGO の21cm調査と DES などの光学赤方偏移調査との相互相関は、宇宙加速に関する制約をどの程度強化できるか？

主な発見

• 50ホーンと1年間の源指向積分を伴う BINGO 調査は、BAO スケールについて δk_A/k_A ≈ 0.025 の制約を達成すると予想される。
• BINGO データと Planck CMB 観測を組み合わせることで、ダークエネルギーの状態方程式 w について Δw ≈ 0.1 の制約が得られると予想される。
• 本装置は、年間数十本の高速電波パulses（FRBs）を検出できる設計となっており、将来的なオーバーライド望遠鏡を用いてリアルタイムでの局所化が可能となる可能性を有する。
• ダークエネルギー調査（DES）との相互相関により、約800 deg² の重複空域が得られ、宇宙加速に関する制約が強化される見込みである。
• HI 力学スペクトルと物質力学スペクトルの間に顕著な波数依存性バイアスが存在しない場合、中性水素質量和 ∑mν の測定が可能になる。
• BINGO からの3次元 HI 力学スペクトル再構成は、波数範囲 k = 0.02–0.2 h⁻¹ Mpc において局所化された BAO 特徴を示し、理論的予想と整合的である。