[論文レビュー] Real time cosmology - A direct measure of the expansion rate of the Universe

H.-R. Klöckner, Danail Obreschkow+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、宇宙の膨張率を直接的・モデルに依存しない方法で測定する手法を提案している。これは、12年間の時間差をあけて同じ銀河を観測することで、中性水素（HI）信号の赤方偏移ドリフトをスカイ・キロメートルアレイ（SKA）が検出することに依存する。宇宙の加速膨張によって予測される0.1 Hzの周波数シフトを検出できることで、z ≈ 1までの赤方偏移範囲で数パーセントの精度でダークエネルギーおよび宇宙論的モデルを精密に制約可能である。

ABSTRACT

In recent years cosmology has undergone a revolution, with precise measurements of the microwave background radiation, large galaxy redshift surveys, and the discovery of the recent accelerated expansion of the Universe using observations of distant supernovae. In this light, the SKA enables us to do an ultimate test in cosmology by measuring the expansion rate of the Universe in real time. This can be done by a rather simple experiment of observing the neutral hydrogen (HI) signal of galaxies at two different epochs. The signal will encounter a change in frequency imprinted as the Universe expands over time and thus monitoring the drift in frequencies will provide a real time measure of the cosmic acceleration. Over a period of 12 years one would expected a frequency shift of the order of 0.1 Hz assuming a standard Lambda-CDM cosmology. Based on the sensitivity estimates of the SKA and the number counts of the expected HI galaxies, it is shown that the number counts are sufficiently high to compensate for the observational uncertainties of the measurements and hence allow a statistical detection of the frequency shift. [abstract abridged]

研究の動機と目的

• リアルタイムの電波観測を用いて、宇宙の膨張率を直接的・モデルに依存しない方法で測定する手法の開発。
• SKAのサーベイ能力を活用して、宇宙の加速膨張に起因する赤方偏移ドリフト信号の検出可能性を実証すること。
• 宇宙論的モデルの仮定に依存する間接的プローブ（例：SNIa、BAO）の限界を克服すること。
• CMB や弱引力レンズ効果などの他のプローブと組み合わせることで、ダークエネルギーおよび宇宙論的パラメータに対する高精度な制約を可能にすること。
• この実験に必要なスペクトル分解能および局所発振子の安定性を達成するためのSKAベースライン設計における技術的要件の同定。

提案手法

• 12年間の時間差をあけて、ミルキーウェイ型銀河の赤方偏移したHI 21 cm線を観測し、宇宙膨張に起因する周波数ドリフトを検出する。
• SKAの高い感度と広いサーベイ速度を活用し、10億個の銀河を検出することで、測定誤差を統計的平均によって補償する。
• 12年間の期間にわたって予測される0.1 Hzの周波数シフトを解像できるよう、少なくとも0.01 Hzのスペクトル分解能（サブバンド内）を達成する。
• 12年間にわたりミリヘルツレベルの局所発振子位相安定性を確保することで、系誤差を最小限に抑える。あるいは、脈動星のタイミングを補助計測として用いる。
• 本コリレータに十分なスペクトル分解能がない場合、Band 1またはBand 2からの生データを処理するソフトウェアコリレータパイプラインを実装する。
• SKAの広い視野（1ポイントあたり約40平方度）を活用することで感度を向上させ、より深く、より速いサーベイを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは12年間のベースラインで、銀河のHI信号に予測される0.1 Hzの赤方偏移ドリフトを検出可能か？
• RQ2 CMB や他のプローブと組み合わせた場合、赤方偏移ドリフト測定は、宇宙論的パラメータ推定におけるデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ3 この実験に必要なスペクトル分解能および位相安定性を達成するために、SKAベースライン設計にどのような変更が必要か？
• RQ4 SKAを用いて、赤方偏移範囲z ≈ 0からz ≈ 1の間で、赤方偏移ドリフトをどの程度の精度で測定できるか？
• RQ5 SKAフェーズ1の予備観測を用いて、地球の3次元速度やエフェメリス誤差などの系誤差をモデル化・補正可能か？

主な発見

• SKAは、z ≈ 1までの赤方偏移範囲で、数パーセントの精度で赤方偏移ドリフト信号を検出可能であり、宇宙の加速膨張を直接テスト可能である。
• 標準的なΛCDM宇宙論において、12年間で約0.1 Hzの周波数シフトが予測され、SKAの感度とサーベイ速度によって検出可能である。
• 検出可能なHI銀河の数密度は十分に高く、観測誤差を統計的平均によって克服でき、ドリフトの統計的検出が可能である。
• この実験はモデルに依存しない。なぜなら、既知の静止系周波数のHIラインにのみ依存するため、系統的バイアスが最小限に抑えられる。
• 赤方偏移ドリフトとCMB、ハッブル定数の測定を組み合わせることで、ダークエネルギーの性能指標（figure of merit）が1%の精度で100〜1000倍向上する可能性がある。
• 50年間の運用期間中に複数回の実験を繰り返し、1ミリ秒未満のスペクトル精度を達成すれば、宇宙のジェイルク項（jerk）の測定もSKAで可能になる可能性がある。