[论文解读] The LSST Dark Energy Science Collaboration (DESC) Science Requirements Document

The LSST Dark Energy Science Collaboration, Rachel Mandelbaum+33 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2018

Astronomy and Astrophysical Research被引用 102

一句话总结

本论文定义了 DESC 的科学目标、高层次与详细需求，以及以 LSST 数据实现独立 Stage IV 暗能量计划的预测方法。

ABSTRACT

The Large Synoptic Survey Telescope (LSST) Dark Energy Science Collaboration (DESC) will use five cosmological probes: galaxy clusters, large scale structure, supernovae, strong lensing, and weak lensing. This Science Requirements Document (SRD) quantifies the expected dark energy constraining power of these probes individually and together, with conservative assumptions about analysis methodology and follow-up observational resources based on our current understanding and the expected evolution within the field in the coming years. We then define requirements on analysis pipelines that will enable us to achieve our goal of carrying out a dark energy analysis consistent with the Dark Energy Task Force definition of a Stage IV dark energy experiment. This is achieved through a forecasting process that incorporates the flowdown to detailed requirements on multiple sources of systematic uncertainty. Future versions of this document will include evolution in our software capabilities and analysis plans along with updates to the LSST survey strategy.

研究动机与目标

• 量化使用 LSST 数据单独及联合分析的五个 DESC 探针对暗能量约束能力的预测。
• 定义 DESC 分析流程的需求，包括对统计不确定性和系统误差的处理。
• 确保可校准的系统误差不过度主导暗能量参数的总不确定性。
• 确立高层次目标以指导长期 DESC 软件与分析开发。
• 建立跨探针的预测、误差预算与可重复性框架。

提出的方法

• 使用 Fisher 矩阵和多探针（弱透镜 WL、大尺度结构 LSS、簇 CL、超新星 SN、强透镜 SL）的似然分析的预测框架。
• 两类系统误差（可校准的和自校准的），通过先验和边缘化来传播不确定性。
• 在 w0–wa 平面中定义 DETF FoM，并给出跨探针联合分析的组合规则。
• 为每个探针指定的基线分析，A) 全 tomography WL 3×2pt，B) 簇计数与引力透镜，C) LSS tomography 聚类，D) WFD 与 DDF 的 SN Ia，E) 带时间延迟与复合透镜的 SL。
• 误差预算流程会调整可校准的系统误差以达到最终 FoM 目标（500）。
• 假设的宇宙学模型（平坦的 wCDM，七个参数）以及逐步需求的 Year 1/Year 10 预测框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 在上述假设下，到 Year 10，LSST DESC 能实现的综合暗能量 FoM 的预测是多少？
• RQ2 应如何对可校准的和自校准的系统误差进行建模和边缘化以达到 FoM 目标？
• RQ3 要达到独立 Stage IV 目标，每个 DESC 探针的基线分析和数据需求是什么？
• RQ4 各探针（簇 CL、弱透镜 WL、大尺度结构 LSS、超新星 SN、强透镜 SL）如何对联合约束作出贡献，先验如何影响它们？
• RQ5 为了跨探针预测和再现 DESC 暗能量分析，所需的基础设施和软件能力有哪些？

主要发现

• DESC 目标是在使用 Stage III 先验的前提下，对完整的 LSST Year 10 数据，达到综合 FoM 超过 500。
• 探针的基线分析包括全 tomography WL 3×2pt 与带透镜的簇计数、LSS tomography 聚类、带 WFD/DDF 的 SN、以及带时间延迟和复合透镜的 SL。
• 可校准的系统误差必须控制在对 w0–wa 的边缘化统计不确定性之下；自校准的系统误差与宇宙学一起边缘化。
• 预测表明 DESC 将提供独立的暗能量约束，多个探针具有不同的系统性依赖。
• 需要一个专用的预测软件框架，以自洽地将所有探针的预测结合起来并确保可重复性。
• 文档区分 Year 1 与 Year 10 数据集，并指出先验和外部数据（SDSS-III BOSS、Planck、H0）如何影响 FoM 与需求。