[論文レビュー] Fundamental Cosmology in the E-ELT Era

C. J. A. P. Martins, Michel Ferreira+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、極大望遠鏡（ELT）およびその高分解能分光計（ELT-HIRESおよびESPRESSO）が、赤方偏移ドリフトおよび基本定数の変動を測定することで、新しい精度の高い宇宙論的検証を可能にすると提案している。これらのプローブは、ΛCDMモデルの整合性を検証し、標準宇宙論を超える新しい物理学を検出するとともに、ダークエネルギーのパラメータ推定における主要なデゲネラシーを解消する。

ABSTRACT

The recent observational evidence for the acceleration of the universe demonstrates that canonical theories of cosmology and particle physics are incomplete - if not incorrect - and that new physics is out there, waiting to be discovered. The most exciting task for the next generation of astrophysical facilities is therefore to search for, identify and ultimately characterise this new physics. Here we summarise ongoing work by CAUP's Dark Side Team aiming to identify optimal observational strategies for forthcoming facilities. The discussion is centred around the E-ELT (which will play a key role in this endeavour), but synergies with other ground and space-based facilities are also briefly considered. With the expected major improvements in the sensitivity of standard probes and entirely new ones such as the redshift drift (which the E-ELT, the SKA and possibly other facilities will measure) a new generation of precision consistency tests of the standard paradigm will become possible.

研究の動機と目的

• 今後の施設、特にELTを用いた基本的宇宙論の検証に最適な観測戦略を特定すること。
• ダークマターおよびダークエネルギーを説明できない、ΛCDMモデルおよび素粒子物理学の標準モデルの不完全性に対処すること。
• 赤方偏移ドリフトや変動する基本的結合定数といった新しいプローブを用いて、一般相対性理論やアインシュタイン等価原理からの逸脱を検出する精度の高い整合性テストを開発すること。
• ELT、ALMA、Euclid、SKAの相乗効果を調査し、宇宙論的パラメータの制約強化および新しい物理学の検出を促進すること。
• 光子数保存の破れおよびスカラー場と光子の結合が宇宙論的測定に及ぼすバイアスを定量化し、マルチプローブの整合性テストによってこれを緩和する方法を検討すること。

提案手法

• ELT-HIRESおよびESPRESSOによる高分解能分光計測を用いて、赤方偏移ドリフトおよび微細構造定数α(z)の変動を測定する。
• 距離対応関係および光度距離スケーリングに基づく整合性テストを適用し、関係式 $ d_L(z) \sim d_A(z)(1+z)^2(1 + \frac{3}{4}\frac{\Delta\alpha}{\alpha}) $ から導出される。
• 光子および物質へのスカラー場結合（非等距的およびBekenstein型結合を含む）をモデル化し、$ T(z) $、$ d_L(z) $、CMB非一様性に及ぼす観測可能な効果を予測する。
• PlanckおよびEuclidデータにおける宇宙論的パラメータ推定のバイアスを、考慮されていないスカラー光子結合効果から定量化する。
• 赤方偏移ドリフトを、宇宙のグローバルな力学に特異なプローブとして用い、CMBデータが制限する組み合わせ $ \Omega_m h^2 $ とは異なり、$ \Omega_m h^2 $ に対して個別に感受可能である。
• ELT、ALMA、PRISM、Euclidからの複数のプローブの制約を統合し、スカラー場ダイナミクスへの感受性を高め、アインシュタイン等価原理の破れを検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ELT-HIRESで測定可能な赤方偏移ドリフトは、宇宙のグローバルな膨張歴の直接的検証を可能とし、ダークエネルギーのパラメータ推定におけるデゲネラシーを解消できるか？
• RQ2 微細構造定数αのような基本定数の変動が、宇宙論的距離関係に与える影響は何か？ また、Ia型超新星のような標準的プローブにバイアスを及ぼすか？
• RQ3 赤方偏移ドリフト、距離対応関係、スペクトル線分光シフトの整合性テストが、ΛCDMモデルを超える新しい物理学を検出できる程度はどの程度か？
• RQ4 Planck、Euclid、ALMAからの既存および将来のデータを用いて、光子へのスカラー場結合にどの程度の制約を課せるか？
• RQ5 非等距的またはカマリオン型結合は、予想される $ d_L(z) $ および $ T(z) $ のスケーリングをどのように変化させるか？ また、これらは観測的に区別可能か？

主な発見

• 赤方偏移ドリフトは、CMBが制限する組み合わせ $ \Omega_m h^2 $ のみに依存するのとは異なり、$ \Omega_m h^2 $ に対して個別に感受可能であるため、グローバルな宇宙力学の独自のプローブである。
• 微細構造定数αの100万分の1レベルのダイポールが、CMB温度のマイクロケルビンレベルのダイポールを引き起こし、将来のPRISM型ミッションで検出可能である。
• Bekenstein型モデルでは、光度距離が $ d_L(z) \sim d_A(z)(1+z)^2(1 + \frac{3}{4}\frac{\Delta\alpha}{\alpha}) $ のようにスケーリングするため、整合性チェックのための検証可能な予測が得られる。
• スカラー光子結合による光子数保存の破れは、特にEuclidにおいて宇宙論的パラメータ推定にバイアスを及ぼし、ダークエネルギーの状態方程式の制約を弱める。
• ELT-HIRES、ESPRESSO、ALMAは、赤方偏移カバレッジを補完することで、$ T(z) $ 測定を介したスカラー光子結合の制約が可能となり、パrameter空間のデゲネラシーを解消する。
• αの変動を直接検出しなくても、α変動に関するより高い精度のノルマ結果は、他のプローブと組み合わせることで、現在の限界より1桁以上良い精度で新しい物理学を制限できる。