[论文解读] Large-Scale Structure and Future Surveys

Daniel J. Eisenstein|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2003

Astronomy and Astrophysical Research被引用 8

一句话总结

该论文提出对约50万个小于3的红移的星系进行大规模光谱观测，以探测比宇宙微波背景（CMB）更小尺度下的大尺度结构线性 regime，从而实现对重子声学振荡、哈勃常数和角直径距离的精确测量。这将使暗能量和初始条件的测量精度达到百分之一水平，为早期宇宙物理和宇宙学参数提供关键窗口。

ABSTRACT

As the 2dF Galaxy Redshift Survey and Sloan Digital Sky Survey move toward completion, it is time to ask what the next generation of survey of large-scale structure should be. I discuss some of the cosmological justifications for such surveys and conclude that surveys at z=3 offer a critical advantage in their ability to access linear-regime clustering at scales smaller than any current survey and even the CMB. I discuss a possible implementation of such a survey and highlight some of the potential science return.

研究动机与目标

• 确定能从线性 regime 中最大化宇宙学信息的下一代大尺度结构巡天。
• 证明 z≈3 是访问当前 CMB 或本地巡天尚未覆盖的更小尺度线性团聚的最优红移。
• 证明在 z≈3 进行的光谱巡天相较于利用光度红移成像的巡天，在测量距离和团聚各向异性方面具有更高的精度。
• 实现对宇宙学参数（包括暗能量、中微子质量以及初始非高斯性）的高精度检验。
• 为设计基于下一代仪器的下一代巡天提供科学基础。

提出的方法

• 提出在 z≈3 对约50万颗星系进行大范围（150 deg²）的光谱巡天，以绘制大尺度结构的线性 regime。
• 利用红移空间功率谱测量重子声学振荡（BAO），并提取 z≈3 处的哈勃常数和角直径距离。
• 通过测量视线方向和横向距离，利用 Alcock-Paczynski 测试约束宇宙膨胀历史。
• 利用 CMB 声学峰的已知形状，锚定距离测量，而无需依赖比值。
• 将光谱巡天与光度红移成像巡天进行比较，突出其在系统误差控制和三维模式访问方面的优势。
• 使用高精度团聚统计方法，对初始功率谱中的特征和线性 regime 中的非高斯性进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 访问当前 CMB 或现有巡天尚未探测的最小尺度线性团聚的最优红移范围是什么？
• RQ2 与其它宇宙学探针相比，z≈3 的光谱巡天如何改善对暗能量的约束？
• RQ3 在测量三维团聚和 Alcock-Paczynski 变形方面，光谱法相较于光度红移法具有哪些优势？
• RQ4 z≈3 的巡天能否探测到多个声学振荡，并实现对 H(z) 和 D_A(z) 的精确测量？
• RQ5 z≈3 处的线性 regime 如何为初始条件（如非高斯性或原初功率谱中的特征）提供独特的观测窗口？

主要发现

• 在 150 deg² 范围内对约50万颗星系进行 z≈3 的巡天，可探测到比 CMB 主要各向异性小两倍的尺度下的线性 regime。
• 该巡天将在功率谱中检测到四次声学振荡，从而实现对 z≈3 处哈勃常数和角直径距离的精确测量。
• 对 z≈3 处 H(z) 和 D_A(z) 的测量可对暗能量提供直接约束，且可通过与 CMB 数据的一致性检验进行验证。
• 由于可访问三维模式和混合径向-切向模式，光谱巡天在系统误差控制方面优于光度红移巡天。
• z≈3 处的线性 regime 对初始功率谱中的特征和非高斯性具有独特敏感性，为当前巡天尚未覆盖的新发现空间提供了可能。
• 该巡天可在团聚统计上实现百分之一水平的精度，从而能够探测到诸如重子声学振荡和中微子质量抑制等微弱效应。