[论文解读] Cosmology with the MaunaKea Spectroscopic Explorer

Will J. Percival, Christophe Yèche+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 8

一句话总结

本文提出了MaunaKea光谱巡天望远镜（MSE）高红移宇宙学巡天，利用10,000平方度的天空区域，通过观测发射线星系、莱曼蓝移星系和类星体，测量z=1.6–4.0红移区间内的重子声学振荡（BAO）与红移空间扭曲（RSD），实现对局部fNL参数1.8σ的测量精度，结合CMB-S4与DESI数据，可实现中微子质量顺序的5σ确认。

ABSTRACT

This document summarizes the science cases related to cosmology studies with the MaunaKea Spectroscopic Explorer (MSE), a highly-multiplexed (4332 fibers), wide FOV (1.5 sq deg), large aperture (11.25 m in diameter), optical/NIR (360nm to 1300nm) facility. The MSE High-z Cosmology Survey is designed to probe a large volume of the Universe with a galaxy density sufficient to measure the extremely-large-scale density fluctuations required to explore primordial non-Gaussianity and therefore inflation. We expect a measurement of the local parameter $f_{NL}$ to a precision $σ(f_{NL}) = 1.8$. Combining the MSE High-z Cosmology Survey data with data from a next generation CMB stage 4 experiment and existing DESI data will provide the first $5σ$ confirmation of the neutrino mass hierarchy from astronomical observations. In addition, the Baryonic Acoustic Oscillations (BAO) observed within the sample will provide measurements of the distance-redshift relationship in six different redshift bins between $z=1.6$ and 4.0, each with an accuracy of $\sim0.6\%$. The simultaneous measurements of Redshift Space Distortions (RSD) constrain the amplitude of the fluctuations, at a level ranging from $1.9\%$ to $3.6\%$. The proposed survey covers 10,000 ${ m deg}^2$, measuring redshifts for three classes of target objects: Emission Line Galaxies (ELGs) with $1.6

研究动机与目标

• 通过高红移星系大尺度聚集，以前所未有之精度测量原初非高斯性的局部fNL参数。
• 通过在z=1.6–4.0红移区间测量重子声学振荡（BAO）的距红移关系，检验ΛCDM模型并探测暗能量。
• 通过高红移区间的红移空间扭曲（RSD）约束大尺度结构增长幅度（σ8），此时暗能量尚未占主导。
• 通过结合MSE与下一代CMB与DESI巡天，首次实现基于天文数据的中微子质量顺序5σ确认。
• 通过光谱红移实现星系团质量的稳健校准，改进星系团宇宙学中的质量代理参数。

提出的方法

• 利用MSE的4332根纤维、1.5平方度视场、11.25米口径与R∼2500–4000的光谱分辨率，在360–1300 nm波段开展10,000平方度巡天。
• 目标三类天体：发射线星系（1.6<z<2.4）、莱曼蓝移星系（2.4<z<4.0）与类星体（2.1<z<3.5），用于大尺度结构与Lyα森林研究。
• 采用1,800秒曝光时间，实现ELG红移成功率达90%，LGB达≥50%，共8,000次指向，耗时4,000小时（每年100个夜晚，持续5年）。
• 在z=1.6至4.0之间六个红移区间内测量BAO与RSD，实现约0.6%的距离测量精度与1.9–3.6%精度的σ8约束。
• 分析类星体光谱中的Lyα森林吸收，追踪视线方向的大尺度结构，提升密度场重建精度。
• 将MSE数据与CMB-S4及DESI数据结合，打破参数退化关系，提升对中微子质量与fNL的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 MaunaKea光谱巡天望远镜在多大程度上能以高精度测量局部fNL参数以探测原初非高斯性？
• RQ2 结合MSE、CMB-S4与DESI数据是否可实现中微子质量顺序的5σ确认？
• RQ3 在z=1.6–4.0红移区间，BAO与RSD测量能多准确地约束距红移关系与结构增长速率？
• RQ4 MSE提供的光谱红移在多大程度上可改善星系团质量校准并降低质量代理参数的离散度？
• RQ5 基于积分场单元（IFU）的奇特速度巡天能否在不受宇宙方差影响下，实现对线性增长速率fσ8的1%精度测量？

主要发现

• MSE高红移宇宙学巡天预计可实现σ(fNL) = 1.8的fNL参数测量精度，为原初非高斯性提供直接探测。
• 结合MSE数据与下一代CMB第四阶段实验及现有DESI数据，将首次实现基于天文观测的中微子质量顺序5σ确认。
• MSE将在z=1.6至4.0之间的六个红移区间内，以约0.6%的精度测量BAO距红移关系，探测暗物质主导时期。
• MSE的RSD测量将在相同红移区间内以1.9–3.6%的精度约束σ8，直接检验高红移区的结构增长。
• 仅结合MSE与Planck数据即可实现中微子质量总和的4σ测量，显著优于当前约束。
• 该巡天10,000平方度的覆盖范围与8,000次指向，将实现对z>1.6宇宙大尺度结构的稳健、大体积探测，具备强大的统计能力用于宇宙学检验。