[논문 리뷰] Real time cosmology - A direct measure of the expansion rate of the Universe

H.-R. Klöckner, Danail Obreschkow외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 15.

Radio Astronomy Observations and Technology인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 우주의 팽창 속도를 직접적으로, 모델에 종속되지 않게 측정하는 방법을 제안한다. 이를 위해 스키티어 밴드(스카이)를 사용하여 은하의 중성수소(HI) 신호에서 시간에 따라 변화하는 적색편이 드프트를 탐지한다. 12년 간격으로 두 번 관측한 동일한 은하에서, 우주의 팽창으로 인해 예측되는 0.1 Hz의 주파수 이동을 측정함으로써, 어두운 에너지와 우주론 모델에 대한 정밀한 제약 조건을 z ≈ 1까지 몇 퍼센트의 정밀도로 제공할 수 있다.

ABSTRACT

In recent years cosmology has undergone a revolution, with precise measurements of the microwave background radiation, large galaxy redshift surveys, and the discovery of the recent accelerated expansion of the Universe using observations of distant supernovae. In this light, the SKA enables us to do an ultimate test in cosmology by measuring the expansion rate of the Universe in real time. This can be done by a rather simple experiment of observing the neutral hydrogen (HI) signal of galaxies at two different epochs. The signal will encounter a change in frequency imprinted as the Universe expands over time and thus monitoring the drift in frequencies will provide a real time measure of the cosmic acceleration. Over a period of 12 years one would expected a frequency shift of the order of 0.1 Hz assuming a standard Lambda-CDM cosmology. Based on the sensitivity estimates of the SKA and the number counts of the expected HI galaxies, it is shown that the number counts are sufficiently high to compensate for the observational uncertainties of the measurements and hence allow a statistical detection of the frequency shift. [abstract abridged]

연구 동기 및 목표

• 실시간 라디오 관측을 통해 우주의 팽창 속도를 직접적으로, 모델에 종속되지 않게 측정하는 방법을 개발하기 위해.
• 스카이의 설문 조사 능력을 활용하여 우주의 가속 팽창으로 인한 적색편이 드프트 신호를 탐지할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 우주론 모델 가정에 의존하는 간접적 탐지 방법(예: SNIa, BAO)의 한계를 극복하기 위해.
• CMB와 약한 렌즈링과 같은 다른 탐지 방법과 조합하여 어두운 에너지 및 우주론적 파라미터에 대한 고정밀 제약 조건을 제공하기 위해.
• 필요한 스펙트럼 해상도와 로컬 오시레이터 안정성을 확보하기 위해 스키아 기본 설계에 필요한 기술적 요구 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 12년 간격으로 두 번 관측하여, 우주의 팽창으로 인한 주파수 이동을 유발하는 중성수소 21cm 선의 적색편이를 측정하기 위해 밀키웨이 유형의 은하를 대상으로 한다.
• 스카이의 높은 감도와 넓은 설문 속도를 활용하여 10억 개의 은하를 탐지하고, 측정 불확실성을 통계적 평균으로 보완한다.
• 12년 간의 예측 주파수 이동인 0.1 Hz를 해상할 수 있도록, 서브밴드 내에서 최소 0.01 Hz 이상의 필요 스펙트럼 해상도를 확보한다.
• 12년 간의 로컬 오시레이터 위상 안정성을 밀리헤르츠 수준으로 유지하여 체계적 오차를 최소화하거나, 펄서 타이밍을 보조 캘리브레이션 방법으로 사용한다.
• 메인 컨비olu터가 충분한 스펙트럼 해상도를 갖지 못할 경우, 밴드 1 또는 2에서의 원시 데이터를 처리하기 위한 소프트웨어-코릴레이터 파이프라인을 구현한다.
• 스카이의 넓은 시야(1회 포인팅당 약 40 제곱도)를 활용하여 감도를 향상시키고, 더 깊고 빠른 설문 조사가 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스카이가 12년의 기간 동안 은하의 중성수소 신호에서 예측된 0.1 Hz의 적색편이 드프트를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 CMB 및 기타 탐지 방법과 조합했을 때, 적색편이 드프트 측정이 우주론적 파라미터 추정의 딜레마를 어느 정도 해소할 수 있는가?
• RQ3 이 실험을 위해 필요한 스펙트럼 해상도와 위상 안정성을 확보하기 위해 스키아 기본 설계에 어떤 수정이 필요한가?
• RQ4 스카이를 통해 적색편이 범위 z ≈ 0에서 z ≈ 1까지의 적색편이 드프트는 어느 정도 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ5 스카이 1단계의 예비 관측을 통해 지구의 3차원 속도 및 에프레미드 오차와 같은 체계적 오차를 모델링하고 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 스카이가 z ≈ 1까지의 적색편이 범위에서 몇 퍼센트의 정밀도로 적색편이 드프트 신호를 탐지할 수 있으며, 이는 직접적으로 우주의 가속 팽창을 검증할 수 있게 한다.
• 표준 ΛCDM 우주론 모델에서 12년 간 약 0.1 Hz의 주파수 이동이 예측되며, 이는 스키아의 감도와 설문 속도로 탐지 가능하다.
• 탐지 가능한 중성수소 은하의 수는 관측 불확실성을 상쇄하고 주파수 이동의 통계적 탐지가 가능할 정도로 충분히 높다.
• 이 실험은 중성수소선의 알려진 고정 주파수에만 의존하므로 모델에 종속되지 않으며, 체계적 편향을 최소화한다.
• 적색편이 드프트를 CMB 및 허블 상수 측정과 조합하면 어두운 에너지의 정밀도 지표(Figure of merit)가 1% 정밀도에서 100~1000배 향상된다.
• 스카이의 50년 수명 동안에 여러 번 반복 실험하고, 밀리초 이내의 스펙트럼 정밀도를 확보할 경우, 우주의 제3가속도 항(지옥 항) 측정이 가능할 수 있다.