[논문 리뷰] Towards Constraints on Dark Energy from Absorption Spectra of Close Quasar Pairs

Adam Lidz, Lam Hui외 2명|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 06.

Adaptive optics and wavefront sensing인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 적색편이 공간 왜곡과 열적 넓힘을 포함한 천체물리적 시뮬레이션과 비교하여, 가까운 쿼드러플 쿼라의 라이만-알파 숲 흡수의 교차스펙트럼을 사용해 암흑 에너지를 제약하는 새로운, 진화를 고려하지 않는 방법을 제안한다. 작은 다섯 쌍의 샘플로 인해 제약력은 약한 편이지만, 이 방법은 약 2σ 수준에서 아인슈타인-데사이트르 모델을 배제한다. 향후 약 50개의 중간 해상도 쌍의 관측이 이루어지면, 체계적 오차가 제어된다면 ΩΛ에 대해 15%의 2σ 제약을 달성할 수 있다.

ABSTRACT

A comparison between the line of sight power spectrum of absorption in the Lyman-alpha forest and the cross power spectrum between the absorption in neighboring lines of sight offers an evolution-free means to constrain the cosmological constant, or dark energy. Using cosmological simulations, we consider a maximum likelihood method to obtain constraints from this comparison. In our method, measurements of the auto and cross spectra from observations are compared with those from a multi-parameter grid of simulated models of the intergalactic medium. We then marginalize over nuisance parameters to obtain constraints on the cosmological constant. Redshift space distortions due to peculiar velocities and thermal broadening, a potential difficulty in applying this test, are explicitly modeled in our simulations. To illustrate our method, we measure the cross spectrum from a new sample of five close quasar pairs, with separations of 0.5 to 3 arcmin. We attempt to obtain a constraint on Omega_Lambda, but find only weak constraints. An Einstein-de-Sitter cosmology is, however, disfavored by the data at a ~ 2 sigma confidence level. We consider the power of future observations, paying particular attention to the effects of spectral resolution and shot-noise. We find that ~ 50 moderate resolution, FWHM ~ 150 km/s, close separation (~ 30-120 arcsec) pairs should allow a (2 sigma) constraint on Omega_Lambda at the level of 15%, if other modeling parameters are determined through other means. We find that there is a sizeable gain from observing very close, ~ 30 arcsec, separation pairs provided they are observed with high spectral resolution. A sample of ~ 10 such pairs gives similar constraints to the 50 moderate resolution pairs mentioned above.

연구 동기 및 목표

• 우주의 거리 체계나 소스 진화에 대한 가정 없이, 근접한 쿼드러플 쿼라의 라이만-알파 숲 흡수 간의 상관관계를 기반으로 한 천체론적 시험을 개발하는 것.
• 적색편이 공간 왜곡과 열적 넓힘의 영향을 고려해 천체물리적 시뮬레이션에서 3차원 흡수 스펙트럼의 파wer 스펙트럼에 미치는 영향을 모델링하는 것.
• 관측된 자가 및 교차 스펙트럼을 시뮬레이션된 IGM 모델의 격자와 비교해 최대우도 기반의 방법을 적용하여 ΩΛ를 제약하는 것.
• 향후 관측에서 암흑 에너지에 대해 경쟁 가능한 제약을 달성하기 위한 가능성과 필요한 샘플 크기 평가하기

제안 방법

• 고역동 범위를 가진 천체물리적 시뮬레이션을 사용해, 적색편이 공간 왜곡과 열적 넓힘 효과가 흡수 스펙트럼의 파워 스펙트럼에 미치는 영향을 모델링하는 간섭성 매질(IGM)을 구축하는 것.
• 관측된 흡수 통계와 일치시키기 위해 다양한 천체론적 파rameter, 初기 스펙트럼 진폭, 스펙트럼 기울기 등을 포함하는 다중 파rameter 시뮬레이션 모델 격자를 구성하는 것.
• 관측된 적색편이와 쿼드러플 쿼라 쌍 간의 각도 분리 거리를 사용해, 시뮬레이션에서 푸리에 공간에서 자가 및 교차 파워 스펙트럼을 측정하는 것.
• 관측된 자가 및 교차 스펙트럼을 시뮬레이션된 스펙트럼과 비교하기 위해 최대우도 프레임워크를 적용하고, 부수적 변수를 통합하여 ΩΛ를 제약하는 것.
• 256³ 입자, 20.0 Mpc/h 박스 크기의 시뮬레이션을 사용하여 결과를 검증하고, 기본 모드 이하 및 해상도가 부족한 고-k 모드는 제외하는 것.
• 다양한 관측 시나리오를 시뮬레이션하여 스펙트럼 해상도와 샷 노이즈가 향후 제약력에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접한 쿼드러플 쿼라의 라이만-알파 숲 흡수 간의 교차스펙트럼이 우주의 진화를 고려하지 않고도 우주상수에 대해 강력한 제약을 줄 수 있는가?
• RQ2 적색편이 공간 왜곡과 열적 넓힘은 라이만-알파 숲에서 3차원 흡수 파워 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 및 향후 쿼드러플 쿼라 쌍 샘플을 통해 ΩΛ에 대해 어떤 정도의 통계적 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 쿼드러플 쿼라 쌍의 스펙트럼 해상도와 각도 분리 거리는 교차스펙트럼 방법의 민감도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 현재의 다섯 쌍의 근접 쿼드러플 쿼라 샘플을 바탕으로, 이 방법은 아인슈타인-데사이트르 천체론 모델을 약 2σ 수준에서 배제한다.
• 샘플 크기가 제한되고 교차스펙트럼 측정의 오차 범위가 크기 때문에 현재의 ΩΛ 제약력은 약하다.
• 중간 해상도 쿼드러플 쌍 약 50개(FWHM ~150 km/s, Δθ ~30′′–120′′)를 관측할 경우, 다른 모델링 파rameter가 잘 결정된다면 ΩΛ에 대해 15%의 2σ 제약을 달성할 수 있다.
• 고해상도로 관측한 약 10개의 매우 가까운 쌍(Δθ ~30′′)은 중간 해상도 50쌍 샘플과 유사한 제약력을 제공한다.
• 고해상도 시뮬레이션은 256³ 입자, 20.0 Mpc/h 박스가 k > 0.03 s/km 영역에서 소규모 파워를 충분히 모의하지 못함을 확인하지만, 현재 데이터의 해상도를 고려하면 이는 수용 가능한 수준이다.
• 시뮬레이션에서 샘플 분산과 해상도 제약이 나타나므로, 향후 제약력 향상을 위해서는 더 큰 부피와 더 높은 해상도의 시뮬레이션을 필요로 한다.