[论文解读] Ultra-large scale cosmology with next-generation experiments

David Alonso, Philip Bull+3 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2015

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

本文预测了下一代大尺度结构巡天中相对论性宇宙学效应的可探测性，包括弱引力透镜放大效应和原初非高斯性。研究发现，尽管在单探测器功率谱中新型广义相对论效应仍不可探测，但通过联合预测，若系统效应得到缓解，原初非高斯性参数 f_NL 的不确定性可达到 σ(f_NL) ≈ 1–2。

ABSTRACT

Future surveys of large-scale structure will be able to measure perturbations on the scale of the cosmological horizon, and so could potentially probe a number of novel relativistic effects that are negligibly small on sub-horizon scales. These effects leave distinctive signatures in the power spectra of clustering observables and, if measurable, would open a new window on relativistic cosmology. We quantify the size and detectability of the effects for a range of future large-scale structure surveys: spectroscopic and photometric galaxy redshift surveys, intensity mapping surveys of neutral hydrogen, and continuum surveys of radio galaxies. Our forecasts show that next-generation experiments, reaching out to redshifts z ~ 4, will not be able to detect previously-undetected general-relativistic effects from the single-tracer power spectra alone, although the contribution of weak lensing magnification on large scales should be clearly detectable. We also perform a rigorous joint forecast for the detection of primordial non-Gaussianity through the excess power it produces in the clustering of biased tracers on large scales, finding that uncertainties of sigma(f_NL) ~ 1-2 should be achievable. We discuss the systematic effects that must be mitigated to achieve this level of sensitivity, and some alternative approaches that should help to improve the constraints.

研究动机与目标

• 评估利用下一代大尺度结构巡天探测超大尺度宇宙学中相对论效应可探测性的能力。
• 评估未来光谱、测光、强度映射和射电连续谱巡天对广义相对论修正的敏感度。
• 通过大尺度上偏置探测器聚类中的超额功率，预测原初非高斯性的联合探测。
• 识别并解决可能限制未来实验灵敏度的关键系统效应。
• 探索改进宇宙学参数约束的替代方法。

提出的方法

• 基于多种巡天类型（光谱和测光星系红移巡天、中性氢强度映射、射电星系连续谱巡天）的聚类可观测量功率谱进行预测。
• 应用相对论摄动理论来建模大尺度相对论效应，包括弱引力透镜放大和其他视界尺度修正。
• 利用原初非高斯性在超视界尺度上诱导的超额功率，对原初非高斯性进行联合预测。
• 在真实巡天配置下（红移 z ~ 4 以内）量化信噪比和宇宙学参数（尤其是 f_NL）的误差条。
• 将光谱红移误差和非线性偏置等系统效应纳入预测框架。
• 评估提升灵敏度的替代方法，包括多探测器技术与尺度依赖偏置建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代大尺度结构巡天能否探测到此前未观测到的宇宙视界尺度上的广义相对论效应？
• RQ2 通过大尺度聚类的联合预测，原初非高斯性（f_NL）可达到何种灵敏度水平？
• RQ3 光谱红移误差和非线性偏置等系统效应如何影响相对论效应的可探测性？
• RQ4 弱引力透镜放大在未来的巡天中对大尺度功率谱的贡献有多大？
• RQ5 除了单探测器功率谱外，还有哪些替代方法可改善宇宙学参数的约束？

主要发现

• 仅依靠单探测器功率谱，下一代巡天在红移 z ~ 4 时无法探测到此前未被观测到的广义相对论效应。
• 未来巡天中，弱引力透镜放大对大尺度功率谱的贡献预计可被清晰探测到。
• 对原初非高斯性的联合预测可实现 σ(f_NL) ≈ 1–2 的不确定性，表明对非高斯性特征具有高灵敏度。
• 必须仔细缓解光谱红移误差和非线性偏置等系统效应，才能达到预期的灵敏度水平。
• 包括多探测器技术与尺度依赖偏置建模在内的替代方法，有望改善宇宙学参数的约束。
• 本研究证明，尽管视界尺度的相对论效应仍难以探测，但原初非高斯性仍是下一代宇宙学的有希望探测目标。