[论文解读] Cosmology with the SKA -- overview

Roy Maartens, FB Abdalla+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 28

一句话总结

SKA将通过全天区、高红移的HI强度测绘和射电连续谱巡天，彻底改变宇宙学，即使在第一阶段（SKA1）即可实现变革性的精确宇宙学。这些巡天将实现超大尺度结构测绘、BAO测量、弱引力透镜效应以及对引力和非高斯性的检验，SKA1在曲率和BAO约束方面可达到亚百分之一水平的精度。

ABSTRACT

The new frontier of cosmology will be led by three-dimensional surveys of the large-scale structure of the Universe. Based on its all-sky surveys and redshift depth, the SKA is destined to revolutionize cosmology, in combination with future optical/ infrared surveys such as Euclid and LSST. Furthermore, we will not have to wait for the full deployment of the SKA in order to see transformational science. In the first phase of deployment (SKA1), all-sky HI intensity mapping surveys and all-sky continuum surveys are forecast to be at the forefront on the major questions of cosmology. We give a broad overview of the major contributions predicted for the SKA. The SKA will not only deliver precision cosmology -- it will also probe the foundations of the standard model and open the door to new discoveries on large-scale features of the Universe.

研究动机与目标

• 证明SKA即使在第一阶段（SKA1）也能在全面部署前实现变革性的宇宙学科学。
• 确立全天区HI强度测绘与射电连续谱巡天是大尺度结构可行、具有竞争力且互补的探测手段。
• 表明SKA1在BAO和曲率测量方面可实现与当前光学巡天及欧几里得（Euclid）相当或更优的宇宙学约束。
• 探讨结合SKA数据与未来光学/红外巡天（如欧几里得、LSST）如何降低系统误差与宇宙方差。
• 研究宇宙学的基础性检验，包括原初非高斯性、暗能量演化以及在视界尺度上的一般相对论。

提出的方法

• 利用SKA-MID/SUR的全天区HI强度测绘巡天，在红移z ~ 3以内测量积分HI发射，通过探测大尺度涨落而不解析单个星系。
• 在分层红移切片中实现高精度红移测量，以从强度测绘涨落中实现BAO与功率谱测量。
• 在SKA-MID上开展全天区射电连续谱巡天，在SKA1中探测约10^8个星系，在SKA2中探测约10^9个星系，利用总流量追踪大尺度结构。
• 将二维连续谱巡天与红移信息结合，构建部分三维的大尺度结构图，以实现弱引力透镜与星系团聚分析。
• 在大尺度（k ~ 0.01 h Mpc⁻¹）应用BAO尺度测量与功率谱分析，以约束曲率与暗能量。
• 利用射电与光学巡天（如欧几里得）之间的交叉相关，降低系统误差并提升弱引力透镜精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA1是否能在全SKA（SKA2）部署前实现具有竞争力且变革性的宇宙学？
• RQ2 SKA1强度测绘巡天在BAO测量中能多准确地约束哈勃速率与角直径距离？
• RQ3 射电连续谱巡天在测绘大尺度结构与实现弱引力透镜宇宙学方面具有何种潜力？
• RQ4 与CMB和光学巡天相比，SKA1在空间曲率（ΩK）约束方面能提升多少？
• RQ5 SKA能否探测原初非高斯性与红移漂移，从而为暴胀与暗能量提供新检验？

主要发现

• 预测SKA1强度测绘巡天在BAO测量方面将优于HI星系红移巡天与当前光学巡天，径向与横向BAO误差可与欧几里得相当或更优。
• SKA1强度测绘可实现空间曲率的预测精度|ΩK| < 10⁻³，超越普朗克（Planck）在非微扰区的CMB约束。
• SKA1 HI强度测绘巡天覆盖约30,000 deg²，延伸至z ~ 3，可在k = 0.01 h Mpc⁻¹处实现高体积、大尺度功率谱测量，误差低于百分之一。
• SKA1中的射电连续谱巡天将在约30,000 deg²范围内探测到约10⁸个星系，延伸至z ~ 6，为SKA2中30,000 deg²的弱引力透镜巡天奠定基础。
• SKA2的十亿星系巡天将是史上规模最大的光谱巡天，使星系团聚与BAO测量达到前所未有的精度。
• 结合SKA2与欧几里得巡天可显著降低系统误差与宇宙方差，使弱引力透镜约束超越任一独立巡天所能达到的水平。