[论文解读] Cosmology from HI galaxy surveys with the SKA

F. B. Abdalla, Philip Bull+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 14被引用 12

一句话总结

本文表明，平方公里阵列（SKA）将通过中性氢（HI）星系红移测量，实现变革性的宇宙学巡天，提供具有竞争力的重子声学振荡（BAO）和红移空间畸变（RSD）测量。凭借其高灵敏度和大天区面积覆盖，SKA——尤其是其完整阶段——将对暗能量、修正引力、非高斯性（通过$f_{\text{nl}}$）提供精确约束，甚至可实现宇宙红移漂移的首次实时测量。

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.

研究动机与目标

• 评估利用平方公里阵列（SKA）的HI星系红移巡天在第一阶段和第二阶段的宇宙学潜力。
• 评估SKA通过非参数化方法（如主成分分析，PCA）提供对暗能量和修正引力模型具有竞争力约束的能力。
• 研究利用HI谱线红移测量宇宙红移漂移的可行性，从而提供对宇宙加速的模型无关检验。
• 探索SKA星系巡天与其他探测手段（如射电连续谱和光学巡天）之间的互相关技术，用于光度红移校准和引力理论检验。
• 量化SKA对大尺度非高斯性的敏感度，通过$f_{\text{nl}}$测量，其精度将超越普朗克（Planck）的水平。

提出的方法

• 基于SAX-sky模拟生成的HI星系数量密度和偏置模型，预测SKA1和SKA2灵敏度配置下的宇宙学约束。
• 将重子声学振荡（BAO）和红移空间畸变（RSD）作为主要宇宙学探针，用于测量宇宙几何结构和结构增长。
• 采用主成分分析（PCA）对暗能量和修正引力演化进行非参数化建模，避免参数化模型带来的偏差。
• 利用SKA HI星系巡天与射电连续谱/光学巡天之间的互相关，校准光度红移并检验引力理论。
• 基于WMAP和普朗克（Planck）的宇宙学参数建模红移漂移信号，并通过长期重复的SKA观测估算其可探测性。
• 评估SKA巡天在大尺度上测量$f_{\text{nl}}$的统计能力，利用其大覆盖面积和高源密度优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA能否在第一阶段和完整阶段均实现具有竞争力的重子声学振荡（BAO）测量？其与光学/红外巡天相比如何？
• RQ2 SKA星系红移巡天在采用非参数化PCA方法时，能在多大程度上改善对暗能量和修正引力的约束？
• RQ3 SKA能否实现对宇宙红移漂移的统计探测？需要何种观测策略？
• RQ4 SKA HI巡天与其他探测手段（如射电连续谱和光学巡天）之间的互相关，在光度红移校准方面有多高效？
• RQ5 SKA能否以比普朗克更高的精度测量原初非高斯性（$f_{\text{nl}}$）？其预期灵敏度如何？

主要发现

• SKA第一阶段将绘制出数百万个HI星系，红移范围达$z \sim 0.5$，其BAO测量结果将与光学和红外巡天具有可比性，但系统误差特征不同且具有互补性。
• SKA完整阶段（SKA2）将在大部分天区实现十亿星系的红移巡天，为宇宙学约束提供变革性的统计能力。
• 由于探测到的星系数量极为庞大，SKA2将在低红移区域实现更优越的红移空间畸变（RSD）测量。
• SKA HI巡天与其他探测手段之间的互相关，将实现极高的光度红移校准精度，并对修正引力模型施加强有力的约束。
• 采用PCA方法，SKA将提供与参数化模型假设无关的、具有竞争力的暗能量和修正引力演化约束。
• SKA具备实现首次实时、模型无关的宇宙红移漂移测量的潜力，最大预期漂移量为$2 \times 10^{-10}$，在12年内可探测到，通过在50年内重复进行1小时、20平方度的观测即可实现。