[论文解读] The Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Precision measurements of the absolute cosmic distance scale

David J. Schlegel, Martin White+1 more|ArXiv.org|Feb 26, 2009

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 47

一句话总结

Baryon Acoustic Spectroscopic Survey (BOSS) 以百分之一级别的精度在低红移（z < 0.7）和高红移（z ≈ 2.5）测量宇宙绝对距离尺度，利用重子声学振荡（BAO）作为标准尺。其对 z = 0.6 处的角直径距离预测精度达 1.0%，对哈勃参数的预测精度达 1.7%，为暗能量和空间曲率提供了关键约束。

ABSTRACT

BOSS, the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, is a 5-year program to measure the absolute cosmic distance scale and expansion rate with percent-level precision at redshifts z&lt;0.7 and z~2.5. BOSS uses the "standard ruler" provided by baryon acoustic oscillations (BAO). BOSS will achieve a near optimal measurement of the BAO scale at z&lt;0.7, with a redshift survey of 1.5 million luminous galaxies. It will pioneer a new method of BAO measurement at high redshift, using the LyA forest to 160,000 QSOs in the redshift range 2.1

研究动机与目标

• 利用重子声学振荡（BAO）作为标准尺，在 z < 0.7 和 z ≈ 2.5 处以百分之一级别的精度测量宇宙绝对距离尺度。
• 通过利用早期宇宙声波的物理机制，降低宇宙距离测量中的系统不确定性。
• 利用 150 万颗明亮星系实现对低红移 BAO 的确定性测量，并通过 16 万颗类星体的 Lyα 森林首次实现高红移 BAO 检测。
• 通过提供对暗能量和空间曲率的精确约束，补充其他宇宙学探针。
• 建立一个基础数据集，用于研究星系聚类、类星体演化以及宇宙大尺度结构。

提出的方法

• 利用重子声学振荡（BAO）作为标准尺，其中再组合时的声学视界提供了在大尺度结构中印刻的固定物理尺度。
• 通过测量横向 BAO 尺度推断角直径距离 dA(z)，通过视线方向的尺度确定哈勃参数 H(z)。
• 利用 z < 0.7 处 150 万颗明亮星系的光谱红移，绘制大尺度结构图并以最小的噪声水平测量 BAO。
• 对 16 万颗高红移类星体（2.1 < z < 3.0）应用 Lyα 森林技术，检测 z ≈ 2.5 处的 BAO，这是高红移宇宙学的新方法。
• 将 BAO 数据与 DETF 阶段 II 和 III 实验的外部先验（弱引力透镜、星系团计数、超新星）结合，以改善对 w₀、wₐ、ΩK 和信息量度（FoM）的约束。
• 利用预测性能的边际化约束，推算 dA 和 H(z) 的精度水平，假设 CMB 锚定的 BAO 尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用 BOSS 调查，BAO 测量角直径距离 dA(z) 在 z = 0.35、0.6 和 2.5 处的精度是多少？
• RQ2 利用明亮星系和 Lyα 森林，哈勃参数 H(z) 在这些红移处的测量精度如何？
• RQ3 低红移和高红移的 BAO 测量在多大程度上约束了暗能量状态方程（w₀、wₐ）和空间曲率（ΩK）？
• RQ4 当与外部先验结合时，BOSS 的预测约束与未来阶段 III 实验（弱引力透镜、星系团计数、超新星）的约束相比如何？
• RQ5 当将 BOSS BAO 数据与外部先验结合时，暗能量参数约束的信息量度（FoM）预期提升多少？

主要发现

• 在 z = 0.35 处，角直径距离 dA 的预测精度为 1.0%；在 z = 0.6 处为 1.0%；在 z = 2.5 处为 1.5%。
• 在 z = 0.35 处，哈勃参数 H(z) 的预测精度为 1.8%；在 z = 0.6 处为 1.7%；在 z = 2.5 处为 1.2%。
• BOSS 利用 150 万颗明亮星系在 z < 0.7 范围内实现了 BAO 尺度的近最优测量，最大限度减少了统计误差和系统误差。
• 在 z ≈ 2.5 处的 Lyα 森林调查实现了高红移 BAO 检测的开创性测量，dA 和 H(z) 的预测精度分别为 1.5% 和 1.2%。
• 将 BOSS BAO 数据与 DETF 阶段 III 先验（弱引力透镜、星系团计数、超新星）结合，显著改善了对 w₀、wₐ 和 ΩK 的约束。
• 通过将 BOSS BAO 数据与外部先验结合，暗能量参数约束的信息量度（FoM）得到提升，仅使用 DETF 阶段 II 先验时 FoM 达 53。