[論文レビュー] WFIRST: The Essential Cosmology Space Observatory for the Coming Decade

Olivier Doré, Christopher M. Hirata+47 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用数 25

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、2020年代半ばの宇宙論における必須の宇宙望遠鏡として、広視野赤外線サーベイ望遠鏡（WFIRST）を提唱している。WFIRSTは、超新星、弱引力レンズ効果、バリオン音響振動、赤方偏移空間歪みの複数の独立したプローブを用いて、ダークエネルギーの謎を解明する決定的ミッションである。LSSTおよびEuclidと連携し、未知の系誤差を極めて制御することで、ΛCDMモデルの検証や一般相対性理論やダークエネルギーモデルからの逸脱の検出が可能となる。

ABSTRACT

Two decades after its discovery, cosmic acceleration remains the most profound mystery in cosmology and arguably in all of physics. Either the Universe is dominated by a form of dark energy with exotic physical properties not predicted by standard model physics, or General Relativity is not an adequate description of gravity over cosmic distances. WFIRST emerged as a top priority of Astro2010 in part because of its ability to address the mystery of cosmic acceleration through both high precision measurements of the cosmic expansion history and the growth of cosmic structures with multiple and redundant probes. We illustrate in this white paper how mission design changes since Astro2010 have made WFIRST an even more powerful dark energy facility and have improved the ability of WFIRST to respond to changes in the experimental landscape. WFIRST is the space-based probe of DE the community needs in the mid-2020s.

研究の動機と目的

• 今世紀の10年間において、宇宙の加速膨張とダークエネルギーの謎を解明するための最高優先度の宇宙ミッションとしてWFIRSTを確立すること。
• CMBと弱引力レンズデータの間のS8の不一致、CMBと局所的距離レーダー測定の間のH0の不一致といった、増大する宇宙論的測定の不一致を解消すること。
• 宇宙膨張と構造成長の複数の独立したプローブを組み合わせることで、信頼性の高い、相互に検証可能な宇宙論的制約を実現すること。
• 弱引力レンズおよび超新星サーベイにおける系誤差の制御を向上させることで、ΛCDMからの微小な逸脱を検出する上で不可欠な基盤を整えること。
• LSSTやEuclidといった今後の地上望遠鏡サーベイと、深さ、波長域、観測サイクルの面で補完的となるように、協調性を最大化すること。

提案手法

• WFIRSTの2つの主要なサーベイモードを提唱：タイプIa超新星（SNe Ia）のスペクトロスコピックフォローアップを目的とした半分のプリズム、半分のイメージングサーベイと、深さを重視した完全イメージングサーベイ。
• RZYJ、RZYJ、YJHFフィルタを用い、49、20、9 deg²の領域にそれぞれ22.3、24.5、26.1 magの3段階の深さで、1回の観測あたり合計15時間の露出時間を割り当て、5日間のサイクルで実施。
• 3,400個のSNe Iaに対してプリズム分光法を適用し、赤方偏移の決定（z=1.8までS/N ≥ 15）とサブタイプ分類（z=1.2までS/N ≥ 35）を可能にする。
• 弱引力レンズ、超新星距離測定、バリオン音響振動を組み合わせることで、宇宙膨張歴と構造成長の独立した測定を実現。
• LSSTおよびEuclidとの相互相関を活用し、光度赤方偏移の精度向上、源の分離、形状測定の検証を図り、系誤差を低減。
• 仮定的なサーベイ予測を用いて、現実的な系誤差予算のもとで、WFIRSTがS8やH0の不一致といった宇宙論的不一致にどの程度感度を持つのかを予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WFIRSTの複数プローブアプローチにより、S8 や H0 といった現在の宇宙論的パラメータの不一致を解消できるか？
• RQ2 WFIRSTの系誤差制御能力が、ΛCDM や一般相対性理論からの逸脱を信頼性を持って検出できるまでの程度はどの程度か？
• RQ3 WFIRST、LSST、Euclidの連携が、光度赤方偏移の精度向上とモデルのデゲネラシー低減にどの程度寄与するか？
• RQ4 現在のデータとWFIRSTの予想される感度の範囲内で、初期ダークエネルギーや修正重力といった新しい物理の発見可能性（発見領域）はどの程度か？
• RQ5 WFIRSTのイメージングと分光法の組み合わせにより、1パーセント未満の精度で宇宙膨張歴と成長率を自己整合的かつ相互に検証可能な測定が可能になるか？

主な発見

• WFIRSTの半分プリズム・半分イメージングサーベイにより、約3,400個のSNe Iaが得られ、そのうち1,200～1,600個がスクリーニングされ、z=1.8までにわたる進化研究に適している。
• 完全イメージングサーベイにより、z=3までにわたる約11,000個のSNe Iaの距離が測定可能となり、高赤方偏移における膨張歴の制約が可能になる。
• WFIRSTのイメージングのみでもS8の不一致を解消できる可能性がある。予測の等高線図から、現実的な系誤差レベルでもΛCDMからの逸脱に感度を持つことが示されている。
• WFIRST、LSST、Euclidの組み合わせにより、光度赤方偏移の相互検証、源の分離、形状測定の検証が可能となり、系誤差の大幅な低減が見込まれる。
• WFIRSTが超新星、弱引力レンズ、BAO、RSDの複数のプローブを組み合わせられる独自の能力により、宇宙論的パラメータに対する冗長なチェックが可能となり、未知の系誤差に対する耐性が高まる。
• もし2020年代半ばまでに現在の不一致が持続するか、新たな不一致に発展したとしても、WFIRSTの柔軟性と高精度は、統計的ブレーキや系誤差の特定に不可欠である。