[论文解读] BigBOSS: The Ground-Based Stage IV Dark Energy Experiment

David J. Schlegel, Chris Bebek+19 more|ArXiv.org|Apr 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 54

一句话总结

BigBOSS 提出了一项基于地面的第四阶段暗能量实验，利用现有 NOAO 望远镜上的 4000 纤维光谱仪，在红移 0.2 < z < 3.5 范围内对星系和中性氢气体进行全天红移巡天。通过测量重子声学振荡（BAO）和红移空间畸变，该实验旨在实现与空间探测任务 JDEM 相当的暗能量任务组（DETF）指标，但成本更低、风险更小。

ABSTRACT

The BigBOSS experiment is a proposed DOE-NSF Stage IV ground-based dark energy experiment to study baryon acoustic oscillations (BAO) and the growth of structure with an all-sky galaxy redshift survey. The project is designed to unlock the mystery of dark energy using existing ground-based facilities operated by NOAO. A new 4000-fiber R=5000 spectrograph covering a 3-degree diameter field will measure BAO and redshift space distortions in the distribution of galaxies and hydrogen gas spanning redshifts from 0.2

研究动机与目标

• 通过测量暗能量状态方程及其在宇宙时空中演化，解决暗能量的根本之谜。
• 克服以往巡天的局限，实现大范围、深度且高精度的全天红移巡天。
• 实现与空间探测任务 JDEM 相当的暗能量任务组（DETF）指标（DETF FoM），用于 BAO 测量。
• 利用现有地面设施，降低项目成本与技术风险，同时提供长期的多目标光谱能力。
• 通过美国主导、社区驱动的巡天模式，实现前所未有的社区数据与仪器访问。

提出的方法

• 在 NOAO 设施中的一台现有 4 米级望远镜上部署新型 4000 纤维、分辨率 R=5000 的光谱仪。
• 覆盖 3 度直径的视场，以最大化天空覆盖范围与巡天效率。
• 在红移 0.2 < z < 3.5 范围内，对星系和中性氢（HI）进行大范围红移巡天。
• 利用重子声学振荡（BAO）作为标准尺，测量宇宙距离与膨胀历史。
• 测量红移空间畸变，以探测大尺度结构的增长速率，并检验引力模型。
• 利用现有基础设施与社区支持，最大限度降低项目成本与技术风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于地面的大范围多目标光谱巡天是否能够实现与空间探测任务 JDEM 相当的暗能量任务组（DETF）指标？
• RQ2 在红移范围 0.2 < z < 3.5 内，利用地面设施能否精确测量重子声学振荡？
• RQ3 红移空间畸变在多大程度上能准确约束结构增长速率，并用于检验引力与暗能量模型？
• RQ4 在现有望远镜上使用 4000 纤维光谱仪开展第四阶段暗能量实验的可行性与科学回报如何？
• RQ5 如何设计一个面向社区开放、具有长期科学影响力的遗产巡天，以最大化其长远科学影响？

主要发现

• BigBOSS 实验预计可实现与 JDEM 任务相当的暗能量任务组（DETF）指标（DETF FoM），表明其具备相当的科学能力。
• 巡天将覆盖全天范围，红移范围从 z = 0.2 延伸至 z = 3.5，从而能够测量宇宙大部分历史中的膨胀与结构增长。
• 4000 纤维光谱仪将实现高精度、多目标的红移测量，覆盖 3 度视场，显著提升巡天速度与深度。
• 通过利用现有地面设施，BigBOSS 提供了一项成本更低、风险更小的替代方案，与空间暗能量任务相比仍保持极高的科学价值。
• 该项目将创建一个持久的星系与 HI 红移遗产档案，为未来宇宙学研究提供基础数据集。
• 实验设计可使巡天速度与覆盖面积相比以往大规模光谱巡天（如 SDSS）提升 100 倍。