[논문 리뷰] The BigBOSS Experiment

David J. Schlegel, F. B. Abdalla외 139명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 09.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 71

한 줄 요약

BigBOSS는 4미터 마날 허브스테이션을 이용해 14,000 제곱도에 걸쳐 2,000만 개의 은하와 60만 개의 활성은하핵(쿼라스) 적색편이를 측정함으로써 복사압력 진동과 구조 성장률을 측정하는 광역 스펙트로스코픽 조사 계획이다. 이는 플랑크 사전정보를 포함할 경우 암흑에너지 제약 조건에 대해 395의 도구성과(figure of merit, FOM)를 달성하며, 고파르수 모드를 포함할 경우 잠재적으로 600까지 증가할 수 있어 수정중력, 인플레이션, 중성미온 질량에 대한 정밀 검증이 가능하다.

ABSTRACT

BigBOSS is a Stage IV ground-based dark energy experiment to study baryon acoustic oscillations (BAO) and the growth of structure with a wide-area galaxy and quasar redshift survey over 14,000 square degrees. It has been conditionally accepted by NOAO in response to a call for major new instrumentation and a high-impact science program for the 4-m Mayall telescope at Kitt Peak. The BigBOSS instrument is a robotically-actuated, fiber-fed spectrograph capable of taking 5000 simultaneous spectra over a wavelength range from 340 nm to 1060 nm, with a resolution R = 3000-4800. Using data from imaging surveys that are already underway, spectroscopic targets are selected that trace the underlying dark matter distribution. In particular, targets include luminous red galaxies (LRGs) up to z = 1.0, extending the BOSS LRG survey in both redshift and survey area. To probe the universe out to even higher redshift, BigBOSS will target bright [OII] emission line galaxies (ELGs) up to z = 1.7. In total, 20 million galaxy redshifts are obtained to measure the BAO feature, trace the matter power spectrum at smaller scales, and detect redshift space distortions. BigBOSS will provide additional constraints on early dark energy and on the curvature of the universe by measuring the Ly-alpha forest in the spectra of over 600,000 2.2 < z < 3.5 quasars. BigBOSS galaxy BAO measurements combined with an analysis of the broadband power, including the Ly-alpha forest in BigBOSS quasar spectra, achieves a FOM of 395 with Planck plus Stage III priors. This FOM is based on conservative assumptions for the analysis of broad band power (kmax = 0.15), and could grow to over 600 if current work allows us to push the analysis to higher wave numbers (kmax = 0.3). BigBOSS will also place constraints on theories of modified gravity and inflation, and will measure the sum of neutrino masses to 0.024 eV accuracy.

연구 동기 및 목표

• 광역 스펙트로스코픽 조사로 14,000 제곱도에 걸쳐 복사압력 진동(BAO)과 적색편이 공간 왜곡을 측정하기 위해.
• BOSS 조사의 범위를 초월해 밝은 빨간은하(LRGs)의 적색편이 및 영역을 확장하여 최대 z = 1.0까지 측정하기 위해.
• 대규모 구조를 추적하기 위해 [OII] 방출선 은하(ELGs)를 활용해 더 높은 적색편이(z = 1.7) 영역을 탐색하기 위해.
• 활성은하핵 스펙트럼의 리자-알파 숲을 이용해 초기 암흑에너지 및 우주의 곡률을 제약하기 위해.
• 중성미온 질량 합을 0.024 eV의 정밀도로 측정하고, 수정중력 이론 및 인플레이션 이론을 검증하기 위해.

제안 방법

• 마날 망원경에 로봇식 구동 장치가 장착된 파이버 피드 스펙트로그래프를 설치하여, 340–1060 nm 범위에서 R = 3000–4800의 분해능으로 최대 5,000개의 동시 스펙트럼 측정이 가능하도록 하기 위해.
• 지속 중인 이미징 조사에서 스펙트럼 타겟(LRGs, ELGs, 활성은하핵)을 선별하여 암흑물질 분포를 추적하기 위해.
• 은하 적색편이를 이용해 BAO 특징과 소규모에서의 물질 파wer 스펙트럼을 측정하기 위해.
• 활성은하핵 스펙트럼의 리자-알파 숲(z = 2.2–3.5)을 분석하여 우주론적 파rameter를 제약하기 위해.
• BigBOSS 데이터를 플랑크 및 스테이지 III 사전정보와 결합하여 암흑에너지 제약 조건에 대한 도구성과(FOM)를 계산하기 위해.
• 광대역 파wer 분석에 대해 보수적인 kmax = 0.15를 사용하며, FOM 향상을 위해 kmax = 0.3까지 확장 가능성을 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광역, 고다중성 스펙트로스코픽 조사가 암흑에너지 제약 조건에 대해 최소한 395의 도구성과(FOM)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 활성은하핵 스펙트럼의 리자-알파 숲은 초기 암흑에너지 및 우주의 곡률 제약에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 이 조사는 중성미온 질량 합을 0.024 eV의 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ4 BigBOSS는 적색편이 공간 왜곡과 소규모에서의 물질 파워 스펙트럼 추적에 얼마나 잘 성과를 낼 수 있는가?
• RQ5 분석 범위를 보수적인 kmax = 0.15에서 고파르수 모드 kmax = 0.3으로 확장할 경우 잠재적인 FOM 향상 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• BigBOSS는 플랑크 및 스테이지 III 사전정보를 포함할 경우 암흑에너지 제약 조건에 대해 도구성과(FOM) 395를 달성한다.
• 현재 연구 기반으로 분석 범위를 고파르수 모드 kmax = 0.3까지 확장할 경우 FOM가 600을 초과할 수 있다.
• 이 조사는 BAO 특징과 물질 파워 스펙트럼 측정을 위해 2,000만 개의 은하 적색편이를 확보할 것이다.
• 2.2 < z < 3.5 범위의 60만 개 이상의 활성은하핵 스펙트럼을 활용해 리자-알파 숲을 분석하고 초기 암흑에너지 및 곡률을 제약할 것이다.
• 중성미온 질량 합은 0.024 eV의 정밀도로 측정될 것이다.
• 대규모 구조 및 BAO 측정을 통해 수정중력 이론과 인플레이션 모델에 대한 강력한 제약 조건을 제공할 것이다.