[论文解读] Real-time Cosmology with High Precision Spectroscopy and Astrometry

Sukanya Chakrabarti, Anthony H. Gonzalez+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本白皮书提出利用下一代高精度光谱学与天体测量学，通过红移迟滞和星系速度加速度直接测量宇宙加速膨胀，从而为暗能量、暗物质及广义相对论提供新检验。研究表明，在极大望远镜（ELTs）上实现十年尺度10 cm/s的径向速度稳定性，可绘制暗物质亚结构图，并通过几何视差测量校准宇宙距离阶梯。

ABSTRACT

Breakthroughs in physics and astrophysics are often driven by technological advances, with the recent detection of gravitational waves being one such example. This white paper focuses upon how improved astrometric and spectroscopic measurements from a new generation of precise, accurate, and stable astronomical instrumentation can address two of the fundamental mysteries of our time -- dark energy and dark matter -- and probe the nature of spacetime. Instrumentation is now on the cusp of enabling new cosmological measurements based on redshifts (cosmic redshift drift) and extremely precise time-series measurements of accelerations, astrophysical source positions (astrometry), and angles (cosmic parallax). These allow tests of the fundamental framework of the universe (the Friedmann equations of general relativity and whether cosmic expansion is physically accelerating) and its contents (dark energy evolution and dark matter behavior), while also anchoring the cosmic distance scale ($H_0$).

研究动机与目标

• 通过红移迟滞实现宇宙加速的直接测量，为暗能量和时空几何提供新探针。
• 利用长基线径向速度加速度测量，绘制银河系引力势场与暗物质分布。
• 通过高精度天体测量实现宇宙视差测量，改进宇宙距离阶梯。
• 通过主动稳定与量子辅助干涉测量，减少高精度径向速度与天体测量中的系统误差。
• 倡导建设专用设施或仪器阵列，以确保长期稳定性与精密宇宙学观测时间。

提出的方法

• 利用具有亚像素稳定性与主动反馈控制（受LIGO启发）的高分辨率光谱仪，在十年时间尺度上实现10 cm/s的径向速度精度。
• 测量红移的二阶导数（dz/dt_obs），以探测宇宙红移迟滞，揭示宇宙的物理加速度。
• 采用双线技术，通过实现差分红移追踪，减轻红移迟滞测量中的系统误差。
• 部署大口径望远镜（10米与20米级）及极大望远镜（ELTs），以获得足够信噪比，实现银河系及河外天体的加速度测量。
• 实施量子辅助光学干涉仪，实现微角秒（μas）量级的天体测量精度，用于宇宙视差测量。
• 开发光纤耦合望远镜阵列与光子波导耦合器，降低造价，并实现可扩展、稳定的光谱系统，用于长期监测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以足够精度测量红移迟滞，以检验弗里德曼-勒梅特-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规，并探测暗能量演化？
• RQ2 为在银河系中通过加速度测量绘制暗物质亚结构，所需的最小径向速度精度是多少？
• RQ3 如何在十年基线内最小化光谱测量中的系统误差，以实现可靠的加速度探测？
• RQ4 能否通过天体测量实现几何宇宙视差测量，从而独立于标准烛光锚定宇宙距离阶梯？
• RQ5 主动稳定与量子辅助干涉测量在实现亚微角秒天体测量以用于宇宙学应用方面发挥何种作用？

主要发现

• 宇宙红移迟滞预测值约为每年10−10量级，因此在10 cm/s径向速度精度下，通过十年光谱监测可实现测量。
• 在z ≲ 0.5红移范围内测量红移迟滞，可使暗能量参数估计的指标提升3倍，超越第四阶段实验。
• 利用激光腔反馈对光谱仪实施主动稳定，可抑制热漂移与机械漂移引起的系统误差，从而在数十年间实现稳定的10 cm/s径向速度测量。
• 在10米级望远镜上实现高精度径向速度测量，可约束质量高于10^6 M☉的子晕，而厘米每秒量级精度则为探测更低质量亚结构所必需。
• 未来极大望远镜仪器具备实现宇宙视差测量的可行性，而通过量子辅助干涉测量实现微角秒量级天体测量，可使地面宇宙距离测量成为可能。
• 采用光子波导耦合器的光纤耦合望远镜阵列，为传统极大望远镜设计提供一种成本更低、可扩展性更强的替代方案，其原型计划于2023年初在圣迭戈州立大学拉古纳山天文台部署。