[论文解读] The DESI Experiment, a whitepaper for Snowmass 2013

M. E. Levi, C. Bebek+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2013

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 3被引用 370

一句话总结

DESI实验提出利用Mayall 4米望远镜开展大规模多目标光纤光谱巡天，对1800万颗发射线星系、400万颗明亮红巨星星系和300万颗类星体进行红移测量，通过重子声学振荡（BAO）和红移空间畸变（RSD）实现宇宙距离尺度1%精度的测量，覆盖35个红移区间，预计暗能量的指标参数（FOM）达到2723——是BOSS的100多倍，使其成为一项变革性的第四阶段暗能量实验。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) is a massively multiplexed fiber-fed spectrograph that will make the next major advance in dark energy in the timeframe 2018-2022. On the Mayall telescope, DESI will obtain spectra and redshifts for at least 18 million emission-line galaxies, 4 million luminous red galaxies and 3 million quasi-stellar objects, in order to: probe the effects of dark energy on the expansion history using baryon acoustic oscillations (BAO), measure the gravitational growth history through redshift-space distortions, measure the sum of neutrino masses, and investigate the signatures of primordial inflation. The resulting 3-D galaxy maps at z<2 and Lyman-alpha forest at z>2 will make 1%-level measurements of the distance scale in 35 redshift bins, thus providing unprecedented constraints on cosmological models.

研究动机与目标

• 通过在35个红移区间内利用重子声学振荡（BAO）和红移空间畸变（RSD）实现宇宙距离尺度1%精度的测量，推动暗能量宇宙学的发展。
• 通过聚焦光谱大尺度结构，补充现有的暗能量巡天项目（如DES的弱引力透镜和LSST的超新星观测），填补美国暗能量计划中的关键空白。
• 利用类星体光谱中的莱曼-α森林，将BAO测量扩展至红移z > 2，实现对z > 2时宇宙膨胀历史的首次高精度测量。
• 通过RSD和阿尔科克-帕奇尼斯基测试，约束基本宇宙学参数，包括中微子质量总和、原初非高斯性以及结构增长速率。
• 通过确保在DES项目完成后、LSST启动前的过渡期间持续开展暗能量测量，保持美国在宇宙学领域的领导地位。

提出的方法

• DESI利用安装在Mayall 4米望远镜上的光纤馈电多目标光谱仪，可同时获取最多5000颗星系的红移，从而实现对1800万颗发射线星系、400万颗明亮红巨星星系和300万颗类星体的大规模巡天。
• 巡天聚焦三种主要的红移示踪源：发射线星系（ELGs）、明亮红巨星星系（LRGs）和类星体（QSOs），其中类星体光谱中的莱曼-α森林吸收用于探测z > 2时的结构。
• 通过检测星系和类星体大尺度分布中印刻的声学振荡特征尺度，实现BAO测量，误差估计基于投影自相关函数和尺度膨胀方法。
• 通过分析红移空间自相关函数中的各向异性，实现RSD测量，其中包含通过参数fσ₈编码的宇宙结构增长速率信息。
• 通过结合角覆盖范围（14,000至18,000平方度）和高目标密度，最大化巡天体积和信噪比，同时利用重建技术减轻系统误差影响。
• 宇宙学约束通过Fisher矩阵预测框架推导，结合Planck先验，并对偏差演化和非线性红移空间畸变等系统效应进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 DESI在红移范围z = 1.7以内，35个红移区间中，对重子声学振荡（BAO）尺度的测量精度如何？
• RQ2 在0.2 < z < 1.6区间内，DESI通过红移空间畸变（RSD）对宇宙结构增长速率的测量精度如何？
• RQ3 DESI在多大程度上能利用类星体光谱中的莱曼-α森林将BAO测量扩展至红移z > 2？
• RQ4 通过结合BAO、RSD和阿尔科克-帕奇尼斯基测试，DESI能对中微子质量总和与原初非高斯性施加何种约束？
• RQ5 DESI的暗能量指标参数（FOM）与BOSS等前期实验以及LSST等未来巡天相比如何？

主要发现

• 当巡天覆盖14,000平方度且目标密度高（14k-HD）时，DESI预计可实现2723的暗能量指标参数（FOM），相比BOSS提升12倍，相比第二阶段实验提升100倍。
• BAO距离尺度误差在z = 1.7以内，每Δz = 0.2红移区间为0.35–1.1%，全红移区间总精度达0.17%。
• 通过类星体吸收线测量莱曼-α森林，BAO距离误差在1.9 < z < 4区间约为1%每区间，总精度达0.37%。
• RSD对fσ₈参数的测量在0.2 < z < 1.6区间内每区间误差低于2%，总精度达0.35%。
• 当巡天面积达18,000平方度时，DESI可实现FOM = 3369，显著超过第四阶段目标中10倍于第二阶段实验的提升要求。
• 该巡天将首次在35个红移区间内实现1%精度的距离尺度约束，为宇宙学模型（包括暗能量、中微子质量与暴胀信号）提供前所未有的检验能力。