[논문 리뷰] Cosmology from HI galaxy surveys with the SKA

F. B. Abdalla, Philip Bull외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 16.

Radio Astronomy Observations and Technology참고 문헌 14인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 중성수소(HI) 은하 적색편이를 이용한 전환적인 천체물리학적 설문 조사가 가능해질 것임을 보여주며, 스쿼어 킬로미터 어레이(SKA)가 경쟁적인 비어온성 진동(BAO) 및 적색편이 공간 왜곡(RSD) 측정을 가능하게 한다. 높은 감도와 넓은 하늘 영역을 커버하는 SAK—특히 최종 단계에서—어두운 에너지, 수정된 중력, 비정규성(f_{\text{nl}})에 대한 정밀한 제약 조건을 제공할 것이며, 첫 번째 실시간으로 측정 가능한 천체물리학적 적색편이 이동도 가능하게 한다.

ABSTRACT

The Square Kilometer Array (SKA) has the potential to produce galaxy redshift surveys which will be competitive with other state of the art cosmological experiments in the next decade. In this chapter we summarise what capabilities the first and the second phases of the SKA will be able to achieve in its current state of design. We summarise the different cosmological experiments which are outlined in further detail in other chapters of this Science Book. The SKA will be able to produce competitive Baryonic Oscillation (BAOs) measurements in both its phases. The first phase of the SKA will provide similar measurements as optical and IR experiments with completely different systematic effects whereas the second phase being transformational in terms of its statistical power. The SKA will produce very accurate Redshift Space Distortions (RSD) measurements, being superior to other experiments at lower redshifts, due to the large number of galaxies. Cross correlations of the galaxy redshift data from the SKA with radio continuum surveys and optical surveys will provide extremely good calibration of photometric redshifts as well as extremely good bounds on modifications of gravity. Basing on a Principle Component Analysis (PCA) approach, we find that the SKA will be able to provide competitive constraints on dark energy and modified gravity models. Due to the large area covered the SKA it will be a transformational experiment in measuring physics from the largest scales such as non-Gaussian signals from $ extrm{f}_{ extrm{nl}}$. Finally, the SKA might produce the first real time measurement of the redshift drift. The SKA will be a transformational machine for cosmology as it grows from an early Phase 1 to its full power.

연구 동기 및 목표

• 스쿼어 킬로미터 어레이(SKA)의 첫 번째 및 두 번째 단계를 활용한 중성수소(HI) 은하 적색편이 설문 조사의 천체물리학 잠재력을 평가하기 위해.
• 비모수적 방법인 주성분 분석(PCA)을 사용하여 SAK의 어두운 에너지 및 수정된 중력 모델에 대한 경쟁적 제약 조건 제공 능력을 평가하기 위해.
• 천체물리학적 적색편이 이동 측정이 가능할지 탐색하며, 이는 우주의 가속화에 대한 모델 독립적인 시험을 제공한다.
• 다른 탐사(예: 전파 연속체 및 광학 설문 조사)와의 상관관계 기법을 통해 광학적 적색편이 보정 및 중력 이론 테스트를 탐색하기 위해.
• SKA의 광역 영역과 높은 소스 밀도를 활용하여 $f_{\text{nl}}$ 측정을 통해 대규모 비정규성에 대한 민감도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• SAX-스카이 시뮬레이션에서 유도된 시뮬레이션된 HI 은하 수량과 편향을 기반으로 SAK1 및 SAK2 감도 구성 조건을 가정하여 천체물리학적 제약 조건을 예측하기 위해.
• 기하학 및 구조 성장 측정을 위한 주요 천체물리학적 탐사 수 Mittel로 Baryonic Acoustic Oscillations(BAO) 및 Redshift Space Distortions(RSD)를 사용하기 위해.
• 비모수적 방법으로 어두운 에너지 및 수정된 중력 진화를 모델링하기 위해 주성분 분석(PCA)을 적용하여 모수적 모델 편향을 피하기 위해.
• SKA HI 은하 설문 조사와 전파 연속체/광학 설문 조사 간의 상관관계를 사용하여 광학적 적색편이 보정 및 중력 이론 테스트를 수행하기 위해.
• WMAP 및 Planck의 천체물리학적 파rameter를 사용하여 적색편이 이동 신호를 모델링하고, 장기간 반복적인 SAK 관측을 통해 탐지 가능성 추정하기 위해.
• SKA 설문 조사의 통계적 능력이 광역 영역에서 $f_{\text{nl}}$ 측정에 얼마나 민감한지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SKA는 첫 번째 단계와 최종 단계 모두에서 경쟁적인 비어온성 진동(BAO) 측정을 제공할 수 있는가? 그리고 이는 광학/적외선 설문 조사와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 비모수적 PCA 접근법을 사용할 경우, SAK 은하 적색편이 설문 조사가 어두운 에너지 및 수정된 중력에 대한 제약 조건을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 SKA는 천체물리학적 적색편이 이동의 통계적 탐지가 가능할 수 있는가? 이를 위해 필요한 관측 전략은 무엇인가?
• RQ4 SKA HI 설문 조사와 다른 탐사(예: 전파 연속체 및 광학 설문 조사) 간의 상관관계는 광학적 적색편이 보정에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 SKA는 Planck보다 더 정밀하게 초기 비정규성을 ($f_{\text{nl}}$) 측정할 수 있는가? 기대되는 감도는 무엇인가?

주요 결과

• SKA 1단계는 $z \sim 0.5$까지 수백만 개의 HI 은하를 맵핑할 수 있으며, 이는 광학 및 적외선 설문 조사와 경쟁 가능한 BAO 측정을 제공하지만, 독특하고 상호보완적인 시스템적 오차를 가진다.
• 완전한 SAK(SKA2)는 하늘의 대부분을 커버하는 빌리언 갤럭시 적색편이 설문 조사를 가능하게 하여 천체물리학적 제약 조건에 있어 전환적인 통계적 능력을 제공한다.
• SKA2는 탐지된 은하의 수가 매우 많기 때문에 저적색편이 영역에서 뛰어난 적색편이 공간 왜곡(RSD) 측정을 달성할 수 있다.
• SKA HI 설문 조사와 다른 탐사 간의 상관관계는 매우 정밀한 광학적 적색편이 보정과 수정된 중력 모델에 대한 강력한 제약 조건을 제공할 수 있다.
• PCA 접근법을 사용함으로써 SAK는 모수적 모델 가정에 영향을 받지 않고 어두운 에너지 및 수정된 중력 진화에 대해 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있다.
• SKA는 최대 $2 \times 10^{-10}$의 적색편이 이동을 12년 동안 실시간으로 모델 독립적으로 측정할 잠재력을 지닌다. 이는 50년간 반복적인 1시간, 20 제곱도의 설문 조사로 탐지 가능하다.