[論文レビュー] Weak gravitational lensing with the Square Kilometre Array

Michael D. Brown, David Bacon+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 11被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、スカラ・キロメートルアレイ（SKA）が、偏光、HI回転速度、および強度マッピングといった独自の能力を活用することで、固有配列系の系制度を克服し、高赤方偏移まで拡張可能な高精度な弱引力レンズ効果サーベイを電波バンドで実現する可能性を調査している。SKAは、光学サーベイと補完的かつ強力な宇宙論的測定を可能にすることが示され、特に従来の銀河剪断とは異なる新規レンズ技術および相関測定によって、その可能性が拡張される。

ABSTRACT

We investigate the capabilities of various stages of the SKA to perform world-leading weak gravitational lensing surveys. We outline a way forward to develop the tools needed for pursuing weak lensing in the radio band. We identify the key analysis challenges and the key pathfinder experiments that will allow us to address them in the run up to the SKA. We identify and summarize the unique and potentially very powerful aspects of radio weak lensing surveys, facilitated by the SKA, that can solve major challenges in the field of weak lensing. These include the use of polarization and rotational velocity information to control intrinsic alignments, and the new area of weak lensing using intensity mapping experiments. We show how the SKA lensing surveys will both complement and enhance corresponding efforts in the optical wavebands through cross-correlation techniques and by way of extending the reach of weak lensing to high redshift.

研究の動機と目的

• スカラ・キロメートルアレイ（SKA）を用いた弱引力レンズ効果サーベイの実現可能性と科学的潜在可能性を、その段階的開発段階において評価すること。
• 特に固有銀河配列系の影響といった主要な系制度的要因を特定・解決すること。
• 光学技術の成熟を模倣する形で、電波データにおける銀河形状推定および剪断測定のためのツールを開発・促進すること。
• 偏光やHI強度マッピングといった電波特有の新技術が、レンズ効果の精度向上および赤方偏移範囲の拡張にどのように寄与できるかを検討すること。
• 特にダークエネルギーおよび修正重力理論の検証を目的として、電波弱レンズ効果を宇宙論における補完的かつ変革的プローブとして位置づけること。

提案手法

• 弱レンズ効果をモデル化するため、式（1）で定義される横断的ラプラシアンを用いたレンズポテンシャル形式（ψ）および剪断テンソル（γij）を用いる。
• 線形距離に沿った3次元質量分布と投影剪断との関係を表す3次元レンズポテンシャル積分（式2）を適用する。
• 固有配列系の系制度を軽減するため、電波偏光およびHI回転速度データの利用を提案する。これは光学弱レンズ効果における主要な課題である。
• 21 cm HI強度マッピングにおける弱レンズ効果の概念を導入し、光学サーベイが到達できない高赤方偏移（z > 10）でのレンズ測定を可能にする。
• LSSTやEuclidなどの光学サーベイと組み合わせたSKA電波レンズデータの相関測定を提唱し、デゲネラシーを解消し、系制度を低減する。
• e-MERLIN、LOFAR、JVLAなどの予備サーベイおよびradioGREATチャレンジを活用し、電波レンズ解析ツールの開発と検証を進めるロードマップを提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、電波バンドにおける安定した弱レンズ剪断測定を可能にするために、最大で10 arcmin⁻²の銀河密度をどのように達成できるか？
• RQ2 電波偏光およびHI回転速度データは、弱レンズ効果測定に及ぼす固有配列系の影響をどのように軽減できるか？
• RQ3 21 cm HI強度マッピングは、光学サーベイが到達できない高赤方偏移で弱レンズサーベイをどのように実現できるか？
• RQ4 電波弱レンズ効果の開発における主な技術的・分析的課題は何か。それらは予備サーベイおよびアルゴリズム開発によってどのように解決できるか？
• RQ5 電波および光学弱レンズサーベイの相関測定は、ダークエネルギーおよび修正重力理論に関する宇宙論的制約をどのように強化できるか？

主な発見

• SKAフェーズ1では、数千平方度にわたり約5個の銀河/arcmin²の銀河密度を達成し、高感度の弱レンズサーベイを実現可能である。
• SKAフェーズ2では、3πステラジアンにわたり約10個の銀河/arcmin²の銀河密度に到達し、弱レンズサーベイのダイナミックレンジと深さが顕著に拡張される。
• HI強度マッピングを用いた電波弱レンズ効果は、z ~ 10を超える赤方偏移を探索可能であり、従来の銀河レンズ（z ~ 1）とCMBレンズ（z ~ 3000）の間のギャップを埋める。
• HI観測における偏光および回転速度の利用は、光学レンズ効果における主要な誤差要因である固有配列系の系制度を制御する、電波特有の独自の手法を提供する。
• SKAと光学サーベイの相関測定により、特に光度赤方偏移およびバイアスの不確実性に起因するデゲネラシーと系制度誤差が低減され、宇宙論的制約が強化される。
• SKAのレンズサーベイは、構造成長の直接的かつバイアスのないプローブを提供するため、一般相対性理論からの逸脱やダークエネルギーの時間的変化に対する感受性が極めて高く、強力な制約を提供する。