[论文解读] Facilities for Dark Energy Investigations

David H. Weinberg, Deborah Bard+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 40被引用 8

一句话总结

本文总结了由美国主导及合作开展的主要暗能量实验，包括DES、BOSS、eBOSS、HETDEX、DESI、LSST、Euclid和WFIRST，这些实验通过大视场成像、光谱观测和超新星巡天，测量宇宙膨胀和大尺度结构增长。通过结合弱引力透镜、重子声学振荡和红移空间扭曲，这些设施旨在检验宇宙学常数模型，并探索广义相对论之外的新物理。

ABSTRACT

The discovery of cosmic acceleration has inspired ambitious experimental and observational efforts to understand its origin. Many of these take the form of large astronomical surveys, sometimes using new, special-purpose instrumentation, and in some cases entirely new facilities. This Report summarizes some of the major ongoing and planned dark energy experiments, focusing on those in which the U.S. community has a leading or significant supporting role. It provides background information for other Reports from the "Dark Energy and CMB" working group of the APS Division of Particles and Fields long-term planning exercise. We provide 1-2 page summaries of the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and its SDSS-IV successor eBOSS, the Dark Energy Survey (DES), the Subaru Hyper-Suprime Camera (HSC) and Prime Focus Spectrograph (PFS), the Hobby-Eberley Telescope Dark Energy Experiment (HEDTEX), the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), the Large Synpotic Survey Telescope (LSST), and the Euclid and AFTA-WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) space missions. Over the next one to two decades, these experiments seek to improve the precision of measurements of the cosmic expansion history and cosmic structure growth by factors of 10-100, while simultaneously increasing their redshift range and tightening control and cross-checks of sytematic effects. These measurements will dramatically improve the empirical constraints on theoretical explanations of cosmic acceleration and could lead to breakthroughs in our understanding of the nature of gravity and spacetime or the forms of energy present in the universe.

研究动机与目标

• 提供美国及国际合作中正在进行和计划中的主要暗能量实验的全面概述。
• 评估这些设施在日益精确地测量宇宙膨胀历史和大尺度结构增长方面的科学潜力。
• 突出这些实验如何通过弱引力透镜、重子声学振荡和超新星距离测量来探究暗能量的本质。
• 评估这些数据集在宇宙学之外的更广泛科学影响，包括对中微子质量、暗物质和暴胀理论的约束。
• 通过识别关键设施及其在未来十年推动精确宇宙学发展的角色，支持科学界规划。

提出的方法

• 利用大视场成像巡天（例如DES、HSC、LSST）绘制大尺度结构并测量弱引力透镜效应。
• 利用大视场光谱巡天（例如BOSS、eBOSS、HETDEX、DESI）测量重子声学振荡（BAO）和红移空间扭曲（RSD）。
• 通过测光和光谱后续观测，开展系统性超新星巡天（例如SDSS-II SN、DES），以测量距离-红移关系。
• 将测光红移与光谱确认相结合，以减轻超新星实时光谱观测的时间压力。
• 整合来自空间望远镜（Euclid、WFIRST）的数据，实现红外波段的深度弱透镜和无狭缝光谱观测。
• 利用多设施协同效应，交叉校准测量结果，提升对暗能量和修正引力理论的宇宙学约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前及未来设施通过多种探针，能够以多高的精度测量宇宙的膨胀历史？
• RQ2 弱透镜和星系聚类数据在多大程度上能约束暗能量的本质以及对广义相对论的偏离？
• RQ3 在不同红移下，结合BAO、RSD和Ia型超新星数据可获得哪些宇宙学约束？
• RQ4 这些实验的数据在多大程度上改善了对中微子质量、相对论性组分和暴胀理论的约束？
• RQ5 未来引力波‘标准汽笛’信号在提供独立距离测量和检验宇宙加速方面具有多大潜力？

主要发现

• 暗能量巡天（DES）于2013年秋季开始运行，使用布兰科4米望远镜上的暗能量相机，巡天周期为五年。
• BOSS和eBOSS利用斯隆2.5米望远镜，实现了对重子声学振荡和红移空间扭曲的高精度测量。
• HETDEX旨在利用大视场光谱观测，绘制红移1.9 < z < 3.5的Lyα发射体，为高红移宇宙膨胀提供独特约束。
• DESI将在梅纳尔4米望远镜上开展为期五年的光谱巡天，目标是测量超过3500万个星系和类星体的BAO和RSD。
• LSST计划于2020年启动，将开展为期十年的大视场成像巡天，具有前所未有的深度和动态范围。
• Euclid和WFIRST为计划中的空间任务，预计于2020–2021年发射，将提供深度、大范围的弱透镜和光谱巡天，用于探测暗能量和修正引力理论。