[论文解读] The BigBOSS Experiment

David J. Schlegel, F. B. Abdalla+139 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2011

Geophysics and Gravity Measurements被引用 71

一句话总结

BigBOSS 提出了一项利用4米梅纳尔望远镜进行的大范围光谱巡天，通过在14,000平方度的天区中测量2000万颗星系和60万颗类星体的红移，以测量重子声学振荡（BAO）和结构增长。该巡天在结合Planck先验条件下，实现了395的指标值（FOM），若包含更高k模式，潜在FOM可达600，从而能够对修正引力、暴胀理论和中微子质量进行精确检验。

ABSTRACT

BigBOSS is a Stage IV ground-based dark energy experiment to study baryon acoustic oscillations (BAO) and the growth of structure with a wide-area galaxy and quasar redshift survey over 14,000 square degrees. It has been conditionally accepted by NOAO in response to a call for major new instrumentation and a high-impact science program for the 4-m Mayall telescope at Kitt Peak. The BigBOSS instrument is a robotically-actuated, fiber-fed spectrograph capable of taking 5000 simultaneous spectra over a wavelength range from 340 nm to 1060 nm, with a resolution R = 3000-4800. Using data from imaging surveys that are already underway, spectroscopic targets are selected that trace the underlying dark matter distribution. In particular, targets include luminous red galaxies (LRGs) up to z = 1.0, extending the BOSS LRG survey in both redshift and survey area. To probe the universe out to even higher redshift, BigBOSS will target bright [OII] emission line galaxies (ELGs) up to z = 1.7. In total, 20 million galaxy redshifts are obtained to measure the BAO feature, trace the matter power spectrum at smaller scales, and detect redshift space distortions. BigBOSS will provide additional constraints on early dark energy and on the curvature of the universe by measuring the Ly-alpha forest in the spectra of over 600,000 2.2 < z < 3.5 quasars. BigBOSS galaxy BAO measurements combined with an analysis of the broadband power, including the Ly-alpha forest in BigBOSS quasar spectra, achieves a FOM of 395 with Planck plus Stage III priors. This FOM is based on conservative assumptions for the analysis of broad band power (kmax = 0.15), and could grow to over 600 if current work allows us to push the analysis to higher wave numbers (kmax = 0.3). BigBOSS will also place constraints on theories of modified gravity and inflation, and will measure the sum of neutrino masses to 0.024 eV accuracy.

研究动机与目标

• 通过大范围光谱巡天，在14,000平方度的范围内测量重子声学振荡（BAO）和红移空间扭曲。
• 将明亮红序星系（LRGs）的红移和覆盖区域范围扩展至z = 1.0，超越BOSS巡天的范围。
• 利用[OII]发射线星系（ELGs）探测更高红移（z = 1.7）以追踪大尺度结构。
• 利用类星体光谱中的Ly-α森林约束早期暗能量和宇宙曲率。
• 以0.024 eV的精度测量中微子质量总和，并检验修正引力和暴胀理论。

提出的方法

• 在梅纳尔望远镜上部署一种机器人驱动的光纤馈电光谱仪，可在340–1060 nm波段实现R = 3000–4800的光谱分辨率，同时获取5,000个光谱。
• 从正在进行的成像巡天中选择光谱目标（LRGs、ELGs、类星体），以追踪暗物质的潜在分布。
• 利用星系红移测量BAO特征和小尺度上的物质功率谱。
• 分析类星体光谱中Ly-α森林（z = 2.2–3.5）以约束宇宙学参数。
• 将BigBOSS数据与Planck和Stage III先验结合，计算暗能量约束的指标值（FOM）。
• 对宽带功率谱分析采用保守的kmax = 0.15，但有潜力扩展至kmax = 0.3以提升FOM。

实验结果

研究问题

• RQ1 大范围、高复用度的光谱巡天能否实现至少395的指标值（FOM）用于暗能量约束？
• RQ2 类星体光谱中的Ly-α森林在多大程度上能改善对早期暗能量和宇宙曲率的约束？
• RQ3 该巡天能否以0.024 eV的精度测量中微子质量总和？
• RQ4 BigBOSS在多大程度上能检测红移空间扭曲并精确追踪小尺度上的物质功率谱？
• RQ5 若将分析扩展至更高的波数（kmax = 0.3）而非保守的kmax = 0.15，FOM的潜在增益是多少？

主要发现

• 当结合Planck和Stage III先验时，BigBOSS在暗能量约束方面实现了395的指标值（FOM）。
• 若将分析扩展至更高的波数（kmax = 0.3），FOM有望提升至600以上，基于当前研究结果。
• 该巡天将获取2000万颗星系的红移，用于测量BAO特征和物质功率谱。
• 超过60万份类星体光谱（2.2 < z < 3.5）将用于研究Ly-α森林，并约束早期暗能量和宇宙曲率。
• 中微子质量总和将被测量到0.024 eV的精度。
• 通过大尺度结构和BAO测量，该巡天将对修正引力理论和暴胀模型提供强有力约束。