[论文解读] WFIRST Science Investigation Team "Cosmology with the High Latitude Survey" Annual Report 2017

Olivier Doré, Christopher M. Hirata+47 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 29被引用 39

一句话总结

该份2017年WFIRST高银面巡天科学调查团队年度报告概述了一种利用WFIRST空间望远镜的弱引力透镜、星系聚类和星系团增长测量实现宇宙学统一研究的方法。报告详细说明了成像与光谱巡天的要求、光度红移校准方法，以及对探测器缺陷和干扰星系等系统误差的缓解措施，旨在使暗能量约束的精度相比当前限制提升1至2个数量级。

ABSTRACT

Cosmic acceleration is the most surprising cosmological discovery in many decades. Testing and distinguishing among possible explanations requires cosmological measurements of extremely high precision probing the full history of cosmic expansion and structure growth and, ideally, compare and contrast matter and relativistic tracers of the gravity potential. This program is one of the defining objectives of the Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), as set forth in the New Worlds, New Horizons report (NWNH) in 2010. The WFIRST mission has the ability to improve these measurements by 1-2 orders of magnitude compared to the current state of the art, while simultaneously extending their redshift grasp, greatly improving control of systematic effects, and taking a unified approach to multiple probes that provide complementary physical information and cross-checks of cosmological results. We describe in this annual report the activities of the Science Investigation Team (SIT) "Cosmology with the High Latitude Survey (HLS)" during the year 2017. This team was selected by NASA in December 2015 in order to address the stringent challenges of the WFIRST dark energy (DE) program through the Project's formulation phase. This SIT has elected to jointly address Galaxy Redshift Survey, Weak Lensing and Cluster Growth and thus fully embrace the fact that the imaging and spectroscopic elements of the HLS will be realized as an integrated observing program, and they jointly impose requirements on performance and operations. WFIRST is designed to be able to deliver a definitive result on the origin of cosmic acceleration. It is not optimized for Figure of Merit sensitivity but for control of systematic uncertainties and for having multiple techniques each with multiple cross-checks. Our SIT work focuses on understanding the potential systematics in the WFIRST DE measurements.

研究动机与目标

• 定义并优化WFIRST高银面巡天（HLS）的科学需求，以实现高精度宇宙学测量。
• 确保弱引力透镜和星系聚类巡天的光度红移校准稳健可靠，最大限度减少谱线混淆和光度误差带来的系统误差。
• 开发并验证模拟框架，以预测巡天性能，包括干扰星系比例和大尺度结构预测。
• 将成像与光谱巡天整合为统一的观测计划，实现宇宙学结果的交叉验证并控制系统误差。
• 通过社区工具、数据产品以及与其他科学团队和模拟工作的协作，支持WFIRST任务。

提出的方法

• 为高银面成像巡天（HLIS）制定了暗能量科学的基线与阈值需求，包括信息量指标（Figure of Merit）和数据记录规范。
• 设计了使用暗滤光片和探测器效应（如像素间电容和偏振）实验室表征的光度校准方案。
• 利用端到端流程和校准数据记录，模拟了探测器缺陷及其对星系形状测量的影响。
• 生成了基于数据的WFIRST星系群体模拟，用于校准光度红移并评估干扰星系比例。
• 应用快速N体和对数正态模拟，预测了BAO和Hα发射体的数密度，并测试了谱线混淆效应。
• 使用CosmoLike整合多探针预测，结合弱引力透镜、星系聚类和光度红移数据，以约束宇宙学参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 WFIRST高银面巡天如何实现相比当前巡天1至2个数量级的暗能量约束精度提升？
• RQ2 HLS光谱与成像巡天中，最大化宇宙学灵敏度的最优巡天参数（覆盖面积、红移范围）是什么？
• RQ3 探测器缺陷（如像素间电容和偏振）如何影响弱引力透镜形状测量？又如何加以缓解？
• RQ4 WFIRST光度红移巡天中预期的干扰星系比例是多少？如何通过谱线识别和光度裁剪最小化该比例？
• RQ5 结合弱引力透镜、星系聚类和光度红移的多探针分析如何改善宇宙学参数约束与系统误差控制？

主要发现

• HLS成像巡天的设计使暗能量约束的信息量指标（Figure of Merit）相比当前巡天提升1至2个数量级。
• 基于数据驱动模拟的光度红移校准显著降低了星系红移估计的不确定性，干扰星系比例通过GitHub上发布的基于Python的工具进行了量化。
• 探测器缺陷（如像素间电容和偏振）已建模并证实会影响形状测量，其缓解策略已纳入校准计划。
• GRS光锥模拟预测的Hα发射体数密度与预期巡天灵敏度一致，谱线混淆效应通过N体模拟进行了测试。
• 使用CosmoLike的多探针预测表明，结合弱引力透镜、星系聚类和光度红移数据可显著改善对暗能量状态方程和增长率的约束。
• 已成功开发并发布了社区交付成果，包括GalSim的WFIRST模块以及基于CANDELS的模拟星表，以支持任务准备。