[논문 리뷰] WFIRST: The Essential Cosmology Space Observatory for the Coming Decade

Olivier Doré, Christopher M. Hirata외 47명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 11인용 수 25

한 줄 요약

이 백서는 2020년대 중반의 천체물리학을 위한 필수 천체망원경으로 광역 적외선 탐사 망원경(WFIRST)을 지지하며, 초신성, 약한 렌즈 효과, 기저파동 진동, 적색편이 공간 분포 왜곡과 같은 다수의 중복 가능한 탐사 수단을 통해 암흑 에너지의 미스터리를 해결할 수 있는 최종적인 임무로 제안한다. 초당 체계적 오차 제어 능력과 LSST 및 유클리드와의 융합을 통해 ΛCDM 모델을 견고하게 검증하고 일반 상대성 이론 또는 암흑 에너지 모델의 편차를 탐지할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다음 10년간 우주의 가속 팽창과 암흑 에너지의 미스터리를 해결하기 위한 최우선 과제로 WFIRST를 확립하기 위해.
• 특히 CMB와 약한 렌즈 데이터 간의 S8 갈등, 그리고 CMB와 국지적 거리 계단 측정 간의 H0 갈등을 포함한 천체물리학적 측정 간의 증가하는 갈등을 해결하기 위해.
• 우주의 팽창과 구조 성장의 다수 독립적 탐사 수단을 통합함으로써 견고하고 교차 검증된 천체물리학적 제약 조건을 확보하기 위해.
• ΛCDM에서의 미세한 편차를 탐지하기 위해 필수적인 약한 렌즈 및 초신성 측정의 체계적 오차 제어를 향상시키기 위해.
• LSST 및 유클리드와 같은 향후 지상 기반 탐사와의 상호보완적 깊이, 파장 범위, 관측 주기성을 통해 상호작용을 극대화하기 위해.

제안 방법

• 두 가지 주요 WFIRST 탐사 모드를 제안한다: Type Ia 초신성(SNe Ia)의 분광학적 후속 관측을 위한 반프리즘, 반영상 탐사 모드와 깊은 광학적 탐사를 위한 전면 이미징 탐사 모드.
• 각 탐사 방문 시 총 노출 시간 15시간을 RZYJ, RZYJ, YJHF 필터를 사용해 세 가지 깊이 수준(22.3, 24.5, 26.1 mag)으로 49, 20, 9 deg²의 영역에 걸쳐 5일 주기로 수행한다.
• 3,400개의 SNe Ia에 대해 프리즘 분광법을 적용하여 적색편이 결정(S/N ≥ 15까지 z=1.8까지 가능) 및 하위 유형 분류(S/N ≥ 35까지 z=1.2까지 가능)를 수행한다.
• 약한 렌즈 효과, 초신성 거리 측정, 기저파동 진동을 조합하여 우주의 팽창 역사와 구조 성장의 독립적 측정을 수행한다.
• LSST 및 유클리드와의 교차 상관관계를 통해 광학적 적색편이 추정, 소스 분리, 형태 측정 검증을 향상시켜 체계적 오차를 감소시킨다.
• 가정적 탐사 예측을 적용하여 현실적인 체계적 오차 예산 하에서 WFIRST의 우주론적 갈등, 특히 S8 및 H0의 불일치에 대한 민감도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WFIRST의 다수 탐사 수단 접근 방식이 현재의 S8 및 H0 등의 우주론적 파라미터 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ2 WFIRST의 체계적 오차 제어 능력이 ΛCDM 또는 일반 상대성 이론에서의 편차를 견고하게 탐지하는 데 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ3 WFIRST, LSST, 유클리드 간의 융합이 광학적 적색편이 정확도 향상과 모델의 다중해석성 감소에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 현재 데이터의 제약 조건과 WFIRST의 예상 민감도 내에서 새로운 물리학(예: 초기 암흑 에너지 또는 수정 중력)의 발견 공간은 무엇인가?
• RQ5 WFIRST의 이미징과 분광법의 조합이 하이퍼정밀도(1퍼센트 이내 정밀도)로 우주의 팽창 역사와 성장률을 자가 일관성 있게 교차 검증 가능한 측정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• WFIRST의 반프리즘, 반영상 탐사 모드를 통해 약 3,400개의 SNe Ia를 확보할 수 있으며, 그 중 1,200~1,600개는 분광학적으로 하위 유형 분류가 가능하고 z=1.8까지의 진화 연구에 적합하다.
• 전면 이미징 탐사 모드를 통해 z=3까지 약 11,000개의 SNe Ia 거리 측정이 가능해져 고적색편이 팽창 역사 제약 조건을 확보할 수 있다.
• WFIRST의 이미징만으로도 S8 갈등을 해결할 수 있으며, 예측된 등고선을 통해 현실적인 체계적 오차 수준에서도 ΛCDM에서의 편차에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
• WFIRST, LSST, 유클리드의 조합은 광학적 적색편이 추정, 소스 분리, 형태 측정의 교차 검증을 가능하게 하여 체계적 불확실성을 크게 감소시킨다.
• WFIRST는 초신성, 약한 렌즈 효과, BAO, RSD를 동시에 조합할 수 있어 우주론적 파라미터에 대한 중복 검증을 제공하며, 알려지지 않은 체계적 오차에 대한 견고성을 높인다.
• 만약 2020년대 중반까지 현재의 갈등이 지속되거나 새로운 갈등으로 변화하더라도, WFIRST의 유연성과 정밀도는 통계적 우연 또는 체계적 오차를 검증하거나 배제하는 데 필수적일 것이다.