[논문 리뷰] WFIRST Science Investigation Team "Cosmology with the High Latitude Survey" Annual Report 2017

Olivier Doré, Christopher M. Hirata외 47명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 29인용 수 39

한 줄 요약

2017년 WFIRST 고위도 조사 과학조사팀의 연간 보고서는 WFIRST 우주 망원경으로부터의 약한 렌즈 효과, 은하 군집, 클러스터 성장 측정을 통합하여 우주론을 다루는 통합적 접근 방식을 서술한다. 이 보고서는 영상 및 분광 조사의 요구사항, 광학적 적색편이 보정, 검출기 결함과 간섭 가시성 있는 은하와 같은 시스템적 오차의 완화 방법을 상세히 기술하며, 현재의 한계에 비해 암흑 에너지 제약을 1~2개 정도의 주기 개선하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

Cosmic acceleration is the most surprising cosmological discovery in many decades. Testing and distinguishing among possible explanations requires cosmological measurements of extremely high precision probing the full history of cosmic expansion and structure growth and, ideally, compare and contrast matter and relativistic tracers of the gravity potential. This program is one of the defining objectives of the Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), as set forth in the New Worlds, New Horizons report (NWNH) in 2010. The WFIRST mission has the ability to improve these measurements by 1-2 orders of magnitude compared to the current state of the art, while simultaneously extending their redshift grasp, greatly improving control of systematic effects, and taking a unified approach to multiple probes that provide complementary physical information and cross-checks of cosmological results. We describe in this annual report the activities of the Science Investigation Team (SIT) "Cosmology with the High Latitude Survey (HLS)" during the year 2017. This team was selected by NASA in December 2015 in order to address the stringent challenges of the WFIRST dark energy (DE) program through the Project's formulation phase. This SIT has elected to jointly address Galaxy Redshift Survey, Weak Lensing and Cluster Growth and thus fully embrace the fact that the imaging and spectroscopic elements of the HLS will be realized as an integrated observing program, and they jointly impose requirements on performance and operations. WFIRST is designed to be able to deliver a definitive result on the origin of cosmic acceleration. It is not optimized for Figure of Merit sensitivity but for control of systematic uncertainties and for having multiple techniques each with multiple cross-checks. Our SIT work focuses on understanding the potential systematics in the WFIRST DE measurements.

연구 동기 및 목표

• WFIRST 고위도 조사(HLS)의 과학적 요구사항을 정의하고 최적화하여 고정밀 우주론 측정을 가능하게 하기.
• 약한 렌즈 효과 및 은하 군집 조사의 정확한 광학적 적색편이 보정을 확보하여 선 오염 및 광학 오차에서 기인하는 시스템적 오차를 최소화하기.
• 설계된 시뮬레이션 프레임워크를 개발하고 검증하여 조사 성능 예측(간섭 가시성 비율 및 대규모 구조 예측 포함)을 가능하게 하기.
• 영상 및 분광 조사를 통합된 관측 프로그램으로 통합하여 우주론적 결과를 상호 확인하고 시스템적 불확실성을 통제하기.
• 커뮤니티 도구, 데이터 제품 및 다른 과학팀 및 시뮬레이션 노력과의 협업을 통해 WFIRST 임무를 지원하기.

제안 방법

• 고위도 영상 조사(HLIS)를 위한 암흑 에너지 과학 요구사항의 기준 및 최소 기준을 수립하여, 성과 지표 및 데이터 기록 사양을 포함한다.
• 어두운 필터와 검출기 효과(예: 피크 간 용량, 투과도)의 실험실 특성 분석을 활용한 광학 보정 계획을 설계한다.
• 종단 간 파ip라인과 校정된 데이터 기록을 사용하여 검출기 결함 및 은하 형상 측정에 미치는 영향을 시뮬레이션한다.
• 광학적 적색편이 보정 및 간섭 가시성 비율 평가를 위해 WFIRST 은하 집단의 데이터 기반 시뮬레이션을 생성한다.
• 빠른 N-체 및 로그노멀 시뮬레이션을 적용하여 BAO 및 Hα 방출체의 수밀도를 예측하고 선 오염 효과를 테스트한다.
• CosmoLike를 사용하여 약한 렌즈 효과, 은하 군집, 광학적 적색편이 데이터를 통합하여 우주론적 파rameter 제약을 도출하는 다중 탐사 예측을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WFIRST 고위도 조사가 현재의 조사에 비해 암흑 에너지 제약을 1~2개 정도의 주기로 향상시킬 수 있는 방법은 무엇인가요?
• RQ2 HLS 분광 및 영상 조사에서 우주론적 민감도를 극대화하기 위해 최적의 조사 파aram터(면적, 적색편이 범위)는 무엇인가요?
• RQ3 검출기 결함(예: 피크 간 용량, 투과도)이 약한 렌즈 형상 측정에 미치는 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있나요?
• RQ4 WFIRST 광학적 적색편이 조사에서 기대되는 간섭 가시성 비율은 얼마이며, 선 식별 및 광학 컷을 통해 이를 어떻게 최소화할 수 있나요?
• RQ5 약한 렌즈 효과, 은하 군집, 광학적 적색편이를 통합한 다중 탐사 분석이 우주론적 파라미터 제약 및 시스템적 오차 통제에 어떻게 기여합니까?

주요 결과

• HLS 영상 조사는 현재의 조사에 비해 암흑 에너지 제약의 성과 지표를 1~2개 정도의 주기로 초월하는 설계가 되어 있다.
• 데이터 기반 시뮬레이션을 활용한 광학적 적색편이 보정은 은하 적색편이 추정의 불확실성을 감소시키며, 간섭 가시성 비율은 GitHub에 공개된 파이썬 기반 도구를 통해 정량화되었다.
• 피크 간 용량 및 투과도와 같은 검출기 결함는 모델링되었으며 형상 측정에 영향을 미치는 것으로 나타났고, 校정 계획에 완화 전략이 명시되어 있다.
• GRS 빛의 경로 시뮬레이션은 기대되는 조사 감도와 일치하는 Hα 방출체의 수밀도를 예측하였으며, 선 오염 효과는 N-체 시뮬레이션을 통해 테스트되었다.
• CosmoLike를 사용한 다중 탐사 예측은 약한 렌즈 효과, 군집, 광학적 적색편이 데이터를 통합함으로써 암흑 에너지 상태 방정식 및 성장률에 대한 제약을 크게 향상시킨다.
• 커뮤니티 기여물로는 GalSim용 WFIRST 모듈 및 CANDELS 기반의 모의 카탈로그가 성공적으로 개발되어 배포되어 임무 준비를 지원하였다.