[论文解读] Snowmass2021 Cosmic Frontier: Report of the CF04 Topical Group on Dark Energy and Cosmic Acceleration in the Modern Universe

J. Annis, Jeffrey A. Newman+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 10

一句话总结

该Snowmass2021报告提出建设一个阶段V光谱设施（Spec-S5），以实现对红移范围 z < 6 内暗能量和宇宙加速膨胀的变革性宇宙学测量。通过利用大口径、大视场望远镜对低红移（z < 1.5）进行高密度、低红移巡天，以及对高红移（z > 2）进行大体积、高红移巡天，该设施将能够实现广义相对论的精确检验、对原初非高斯性的约束，以及对中微子质量和暗辐射的测量，显著推进我们对宇宙加速膨胀和暴胀的理解。

ABSTRACT

Cosmological observations in the new millennium have dramatically increased our understanding of the Universe, but several fundamental questions remain unanswered. This topical group report describes the best opportunities to address these questions over the coming decades by extending observations to the $z&lt;6$ universe. The greatest opportunity to revolutionize our understanding of cosmic acceleration both in the modern universe and the inflationary epoch would be provided by a new Stage V Spectroscopic Facility (Spec-S5) which would combine a large telescope aperture, wide field of view, and high multiplexing. Such a facility could simultaneously provide a dense sample of galaxies at lower redshifts to provide robust measurements of the growth of structure at small scales, as well as a sample at redshifts $2

研究动机与目标

• 确定并优先考虑下一代光谱巡天在LSST和DESI时代所开启的最具吸引力的宇宙学科学机遇。
• 倡导建设一个阶段V光谱设施（Spec-S5）作为精确宇宙学的基石，能够探测早期和晚期宇宙的加速现象。
• 通过大规模、高精度的光谱巡天，实现对暗能量、广义相对论、原初非高斯性和中微子质量的稳健约束。
• 支持发展一种灵活的多探针实验计划，整合光谱巡天与弱引力透镜巡天、CMB-S4和ELT观测。
• 为未来设施（如Maunakea光谱探测器、MegaMapper和SpecTel）奠定科学基础，确保其设计优化和科学回报最大化。

提出的方法

• 在新一代6米以上口径、大视场望远镜上部署高度复用的光谱仪，对 z < 6 范围内开展深空广域光谱巡天。
• 强调两种关键巡天模式：在 z < 1.5 范围内进行高密度巡天，以探测非线性结构增长并检验引力理论；在 z > 2 范围内进行大体积巡天，以探测线性模式和原初物理。
• 整合LSST（空间与时间遗产巡天）和DESI的数据，以实现交叉相关和系统误差抑制。
• 利用星系聚类、弱引力透镜和CMB透镜之间的交叉相关，打破参数退化，改善宇宙学参数约束。
• 利用强度映射和光度红移技术，将宇宙学探针扩展至传统星系巡天之外。
• 依赖DESI和CMB-S4等先导仪器，以原型化技术并指导Spec-S5的设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量的本质是什么？它在从 z ≈ 6 到现在的宇宙时空中如何演化？
• RQ2 我们能否通过大尺度结构和红移空间畸变，在宇宙学尺度上探测到广义相对论的偏离？
• RQ3 利用高红移巡天，可以对原初非高斯性和原初物质功率谱中的特征施加何种约束？
• RQ4 通过大尺度结构的光谱巡天，我们能以多高的精度测量中微子质量之和？
• RQ5 强度映射与CMB透镜的交叉相关能在多大程度上改善对暗辐射和早期暗能量的约束？

主要发现

• 阶段V光谱设施将使我们能够将暗能量演化约束扩展至 z ≈ 6，此时在ΛCDM模型中其动力学效应可忽略不计。
• 高红移巡天（z > 2）将对原初非高斯性具有 f_NL ≈ 1–5 的敏感度，从而能够区分不同的暴胀模型。
• 该设施将实现对中微子质量之和的约10 meV精度测量，比当前限制提高2至3倍。
• 与CMB透镜和光度巡天的交叉相关将降低宇宙方差和系统误差，实现对原初特征和暗辐射的稳健探测。
• 低红移（z < 1.5）与高红移（z > 2）巡天的结合将使多探针研究的信噪比比当前巡天高出一个数量级。
• DESI和CMB-S4等先导项目被证明对原型化和验证Spec-S5的科学依据和技术可行性至关重要。