[논문 리뷰] Direct detection of the cosmic expansion: the redshift drift and the flux drift

Krzysztof Bolejko, Chengyi Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 10.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 18인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 차세대 천체망원경을 사용해 10년 이상의 기간 동안 측정 가능한 적색편이 이동과 광도 이동을 조합함으로써 우주 팽창의 직접적 탐지가 크게 향상될 수 있음을 제안한다. 연구는 SKA1-mid 어레이가 라디오 천체의 광도 안정성이 ΔF/F ∼ 10⁻⁶ 수준에 도달할 경우, 2030년대 중반까지 이러한 효과를 탐지할 수 있으며, 이는 ELT나 완전한 SKA가 운영되기 이전에도 우주의 가속 팽창을 직접 탐지할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The redshift drift, the change of cosmological redshift with time, is a direct consequence of the expansion of the Universe. Thus the measurement of the cosmological redshift drift will offer a direct test of our models of cosmology. The magnitude of the effect is very small, i.e. the spectral shift is of order of $10^{-10} - 10^{-9}$ over the period of a decade, but the next generation facilities such as ELT and SKA will be able to directly detect the expansion of our Universe by the year 2040. In this paper we focus on detectebility of this effect, including strategies of overcoming the kinematic contamination of the cosmological signal. We also show that the redshift drift directly impacts the change of flux. Thus apart from the redshift drift, measurements of the flux drift will provide an additional tool of detecting the expansion of the universe, including its acceleration. We discuss the strategies of detecting the flux drift and show that by including the flux drift signal to the redshift drift signal we boost the chances of a direct detection of the expansion of the Universe. We show that if only the stability of flux is at the level of $ΔF/F \sim 10^{-6}$ then the SKA1-mid Array should be able to detect these effects, before the ETL and the full SKA. Thus, by including the flux drift into the SKA1-mid Array's analysis pipeline, we could be able to provide by mid-2030s a direct evidence of the expansion of the universe including its accelerating phase.

연구 동기 및 목표

• 차세대 천체망원경을 사용해 천체물리적 적색편이 이동과 광도 이동의 탐지 가능성 평가.
• 우주의 적색편이 이동 신호를 가리킬 수 있는 운동학적 오염 문제 해결.
• 광도 이동을 우주의 팽창 탐지에 보조적인 수단으로 사용할 수 있는 가능성 탐색.
• SKA1-mid 어레이가 ELT나 완전한 SKA보다 일찍 우주의 팽창을 직접 탐지할 수 있는지 평가.
• 광도 안정성이 어두운 에너지의 파rameter 제약 조건에 미치는 영향을 정량화, 특히 어두운 에너지의 상태 방정식에 초점.

제안 방법

• FLRW 계량을 사용해 이론적 적색편이 이동을 유도하고, H(z)가 Ωₘ과 Ω_Λ에 의존하는 ẋ = H₀(1+z) − H(z) 형태로 표현.
• β의 일계수까지의 근사에서, 지구의 운동으로 인한 운동학적 오염을 상대론적 도플러 이동과 굴절 효과를 사용해 모델링.
• 안정적인 고적색편이 라디오 천체를 사용해 광도 이동을 측정하는 방법을 제안하고, 광도-거리 관계의 시간 도함수로부터 광도 이동 신호를 유도.
• 적색편이 이동과 광도 이동 신호를 통합해 공동 분석 파이프라인을 구축해 탐지 민감도 향상.
• 몬테카를로 시뮬레이션과 피셔 행렬 예측을 사용해 w₀와 wₐ, 즉 어두운 에너지 상태 방정식 매개변수에 대한 제약 조건 추정.
• 필요한 광도 안정성(ΔF/F) 기반으로 탐지 임계값 평가 및 SKA1-mid, ELT, 완전한 SKA 간 성능 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 및 향후 라디오 천체망원경을 사용해 광도 이동을 탐지할 수 있으며, 그에 필요한 광도 안정성 수준은 무엇인가?
• RQ2 적색편이 이동과 광도 이동을 동시에 측정함으로써, 적색편이 이동만을 사용할 경우에 비해 우주의 팽창 탐지 능력이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 지구의 궤도 운동으로 인한 운동학적 오염이 적색편이 이동 측정에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ4 광도 안정성이 ΔF/F 수준에서 광도 이동을 포함함으로써 어두운 에너지 매개변수 제약 조건이 얼마나 향상되는가?
• RQ5 충분한 광도 안정성이 확보된 조건에서, SKA1-mid 어레이가 ELT나 완전한 SKA보다 일찍 우주의 팽창을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 적색편이 이동 신호는 z ∼ 1.2에서 가장 강하며, 고적색편이에서는 점점 더 음성으로 변하며, 10년 기준 크기는 약 10⁻¹⁰이다.
• 라디오 천체의 광도 안정성이 ΔF/F ∼ 10⁻⁶ 수준에 도달할 경우, SKA1-mid 어레이가 2030년대 중반까지 적색편이 이동과 광도 이동 효과를 탐지할 수 있다.
• 광도 이동 탐지로 어두운 에너지 상태 방정식(w₀, wₐ)에 대한 제약 조건이 향상되며, ΔF/F ∼ 10⁻⁵일 경우 Figure of Merit이 7.5배 증가하고, ΔF/F ∼ 10⁻⁶일 경우 1,400배 증가한다.
• 조금 더 낮은 안정성인 ΔF/F ∼ 10⁻⁴일 경우에도, 광도 이동을 포함함으로써 적색편이 이동만을 사용할 경우에 비해 Figure of Merit이 2배 향상된다.
• 지구의 궤도 운동으로 인한 운동학적 오염은 cm/s 이내의 정밀도로 모델링되어야 하며, 그렇지 않으면 천체물리적 신호가 가려질 수 있다.
• 광도 이동 신호는 광도 거리의 시간 도함수와 직접적으로 연결되어 있으며, 우주의 가속 팽창에 민감하므로 보조적 탐지 수단으로 매우 유용하다.