[论文解读] Real time cosmology - A direct measure of the expansion rate of the Universe

H.-R. Klöckner, Danail Obreschkow+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 7

一句话总结

本文提出了一种直接、与模型无关的测量宇宙膨胀速率的方法，利用平方公里阵列（SKA）探测星系中中性氢（HI）信号随时间的红移漂移。通过在相隔12年的两个观测 epoch 对同一组星系进行观测，SKA 可检测到由宇宙加速膨胀引起的预测频率偏移（约 0.1 Hz），从而以百分之几的精度对暗能量和宇宙学模型进行精确约束，红移范围可达 z ≈ 1。

ABSTRACT

In recent years cosmology has undergone a revolution, with precise measurements of the microwave background radiation, large galaxy redshift surveys, and the discovery of the recent accelerated expansion of the Universe using observations of distant supernovae. In this light, the SKA enables us to do an ultimate test in cosmology by measuring the expansion rate of the Universe in real time. This can be done by a rather simple experiment of observing the neutral hydrogen (HI) signal of galaxies at two different epochs. The signal will encounter a change in frequency imprinted as the Universe expands over time and thus monitoring the drift in frequencies will provide a real time measure of the cosmic acceleration. Over a period of 12 years one would expected a frequency shift of the order of 0.1 Hz assuming a standard Lambda-CDM cosmology. Based on the sensitivity estimates of the SKA and the number counts of the expected HI galaxies, it is shown that the number counts are sufficiently high to compensate for the observational uncertainties of the measurements and hence allow a statistical detection of the frequency shift. [abstract abridged]

研究动机与目标

• 开发一种基于实时射电观测的直接、与模型无关的宇宙膨胀速率测量方法。
• 证明利用 SKA 的巡天能力检测由宇宙加速膨胀引起的红移漂移信号的可行性。
• 克服间接探针（如超新星 Ia、BAO）依赖宇宙学模型假设的局限性。
• 通过结合红移漂移与其他探针（如 CMB 和弱引力透镜）实现对暗能量和宇宙学参数的高精度约束。
• 确定 SKA 基线设计中为实现所需光谱分辨率和本振稳定性所必需的技术要求。

提出的方法

• 在相隔约 12 年的两个不同时刻，监测银河系类星系的红移 HI 21 cm 线，以检测由宇宙膨胀引起的频率漂移。
• 利用 SKA 的高灵敏度和宽广的巡天速度，探测约十亿个星系，通过统计平均来补偿测量不确定性。
• 实现所需的光谱分辨率（子带内至少 0.01 Hz），以分辨 12 年内预测的 0.1 Hz 频率漂移。
• 确保本振相位在 12 年内保持在毫赫兹量级的稳定性，以最小化系统误差，或使用脉冲星定时作为校准替代方案。
• 若主相关器光谱分辨率不足，实施软件相关器处理管道，以处理来自波段 1 或 2 的原始数据。
• 利用 SKA 的大视场（每点指向约 40 平方度）提升灵敏度，并实现更深层、更快速的巡天。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA 能否在 12 年基线内检测到星系 HI 信号中预测的 0.1 Hz 红移漂移？
• RQ2 当与 CMB 及其他探针结合时，红移漂移测量在多大程度上可打破宇宙学参数估计中的退化？
• RQ3 为实现本实验所需的光谱分辨率和相位稳定性，SKA 基线设计需进行哪些修改？
• RQ4 SKA 能以多高的精度在红移范围 z ≈ 0 至 z ≈ 1 内测量红移漂移？
• RQ5 SKA 阶段 1 的先导观测是否可用于建模和校准如地球三维速度和星历误差等系统效应？

主要发现

• SKA 可在红移 z ≈ 1 以内实现约百分之几的精度检测红移漂移信号，从而实现对宇宙加速膨胀的直接检验。
• 在标准 ΛCDM 宇宙学模型中，12 年内预期出现约 0.1 Hz 的频率偏移，SKA 的灵敏度和巡天速度足以探测该信号。
• 可探测 HI 星系的数量足够多，足以克服观测不确定性，实现对漂移的统计检测。
• 该实验具有与模型无关的特性，因为它仅依赖于 HI 线的已知本征频率，从而最大限度减少系统偏差。
• 将红移漂移与 CMB 及哈勃常数量测结果结合，可使暗能量研究的指标提升 100 至 1000 倍，精度达 1%。
• 若以亚毫秒级光谱精度多次重复实验，SKA 在其 50 年寿命内或可实现对宇宙加加速度项（cosmic jerk term）的测量。