[論文レビュー] WFIRST Science Investigation Team "Cosmology with the High Latitude Survey" Annual Report 2017

Olivier Doré, Christopher M. Hirata+47 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 29被引用数 39

ひとこと要約

2017年のWFIRST高緯度調査科学調査チームの年次報告書は、WFIRST宇宙望遠鏡が得る弱引力レンズ、銀河クラスタリング、およびクラスタ成長測定を統合的に用いた宇宙論の包括的かつ一貫した手法を提示している。本報告書は、撮像および分光調査の要件、光度赤方偏移のキャリブレーション、および検出器の不完全性や誤検出銀河（インターロッパー）といった系制度の低減策について詳述しており、現在の限界に比べてダークエネルギーの制約を1〜2桁改善することを目的としている。

ABSTRACT

Cosmic acceleration is the most surprising cosmological discovery in many decades. Testing and distinguishing among possible explanations requires cosmological measurements of extremely high precision probing the full history of cosmic expansion and structure growth and, ideally, compare and contrast matter and relativistic tracers of the gravity potential. This program is one of the defining objectives of the Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), as set forth in the New Worlds, New Horizons report (NWNH) in 2010. The WFIRST mission has the ability to improve these measurements by 1-2 orders of magnitude compared to the current state of the art, while simultaneously extending their redshift grasp, greatly improving control of systematic effects, and taking a unified approach to multiple probes that provide complementary physical information and cross-checks of cosmological results. We describe in this annual report the activities of the Science Investigation Team (SIT) "Cosmology with the High Latitude Survey (HLS)" during the year 2017. This team was selected by NASA in December 2015 in order to address the stringent challenges of the WFIRST dark energy (DE) program through the Project's formulation phase. This SIT has elected to jointly address Galaxy Redshift Survey, Weak Lensing and Cluster Growth and thus fully embrace the fact that the imaging and spectroscopic elements of the HLS will be realized as an integrated observing program, and they jointly impose requirements on performance and operations. WFIRST is designed to be able to deliver a definitive result on the origin of cosmic acceleration. It is not optimized for Figure of Merit sensitivity but for control of systematic uncertainties and for having multiple techniques each with multiple cross-checks. Our SIT work focuses on understanding the potential systematics in the WFIRST DE measurements.

研究の動機と目的

• WFIRST高緯度調査（HLS）の科学的要件を定義および最適化し、高精度な宇宙論的測定を可能にする。
• 弱引力レンズおよび銀河クラスタリング調査のための頑健な光度赤方偏移キャリブレーションを確保し、ラインの混同や光度誤差に起因する系制度を最小限に抑える。
• 調査性能の予測を可能にするシミュレーションフレームワークの開発および検証を進め、誤検出銀河の割合や大規模構造の予測を含む。
• 撮像および分光調査を統合した観測計画を構築し、宇宙論的結果の相違を検証するとともに、系制度の不確実性を制御する。
• コミュニティ用ツール、データ製品、および他の科学チームやシミュレーション活動との協力を通じてWFIRSTミッションを支援する。

提案手法

• 高緯度撮像調査（HLIS）のためのダークエネルギー科学的要件のベースラインおよび閾値を定義し、図形的指標（FoM）およびデータ記録仕様を含めた。
• ダークフィルターの使用と検出器の特性（例えばピクセル間自己容量、偏光）の実験室的同定を通じた光度キャリブレーション計画を策定した。
• エンドツーエンドのパイプラインとキャリブレート済みデータ記録を用いて、検出器の不完全性と銀河形状測定への影響をシミュレートした。
• 光度赤方偏移のキャリブレーションと誤検出銀河の割合の評価を目的として、WFIRST銀河集団のデータ駆動型シミュレーションを生成した。
• 高速N体シミュレーションおよび対数正規分布シミュレーションを用いて、BAOおよびHα発光体の数密度を予測し、ラインの混同効果を検証した。
• CosmoLikeを用いたマルチプローブ予測を統合し、弱引力レンズ、銀河クラスタリング、光度赤方偏移データを組み合わせて宇宙論的パラメータを制約した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WFIRST高緯度調査は、現在の調査に比べてダークエネルギーの制約を1〜2桁改善するにはどのようにすればよいか？
• RQ2 HLS分光調査および撮像調査の宇宙論的感度を最大化するための最適な調査パラメータ（調査領域、赤方偏移カバー範囲）は何か？
• RQ3 ピクセル間自己容量や偏光といった検出器の不完全性が弱引力レンズ形状測定に与える影響は何か？ また、それらをどのように低減できるか？
• RQ4 WFIRST光度赤方偏移調査における予想される誤検出銀河の割合は何か？ また、ライン同定および光度カットを用いてどのように最小化できるか？
• RQ5 弱引力レンズ、銀河クラスタリング、光度赤方偏移を統合したマルチプローブ分析は、宇宙論的パラメータの制約と系制度の制御をどのように向上させるか？

主な発見

• HLS撮像調査は、現在の調査に比べてダークエネルギー制約の図形的指標（FoM）を1〜2桁上回る設計がなされている。
• データ駆動型シミュレーションを用いた光度赤方偏移キャリブレーションにより、銀河赤方偏移推定の不確実性が低減され、誤検出銀河の割合はGitHubに公開されたPythonベースのツールで定量的に評価された。
• ピクセル間自己容量や偏光といった検出器の不完全性はモデル化され、形状測定に与える影響が明らかになり、キャリブレーション計画にその低減戦略が明記された。
• GRS光路シミュレーションは、期待される調査感度と整合性のあるHα発光体の数密度を予測しており、N体シミュレーションを用いてラインの混同効果も検証された。
• CosmoLikeを用いたマルチプローブ予測では、弱引力レンズ、クラスタリング、光度赤方偏移データを統合することで、ダークエネルギー状態方程式および成長率の制約が顕著に改善された。
• コミュニティ向けの成果物として、GalSim用のWFIRSTモジュールおよびCANDELSに基づくモックカタログが開発・公開され、ミッション準備を支援した。