[论文解读] WFIRST: The Essential Cosmology Space Observatory for the Coming Decade

Olivier Doré, Christopher M. Hirata+47 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 11被引用 25

一句话总结

本白皮书主张将广域红外巡天望远镜（WFIRST）作为2020年代中期宇宙学领域不可或缺的太空观测平台，提出其作为解决暗能量之谜的决定性任务，通过多种冗余探测手段——超新星、弱引力透镜、重子声学振荡以及红移空间畸变——实现。凭借前所未有的系统误差控制能力，以及与LSST和Euclid的协同效应，WFIRST能够稳健检验ΛCDM模型，并探测广义相对论或暗能量模型的偏离。

ABSTRACT

Two decades after its discovery, cosmic acceleration remains the most profound mystery in cosmology and arguably in all of physics. Either the Universe is dominated by a form of dark energy with exotic physical properties not predicted by standard model physics, or General Relativity is not an adequate description of gravity over cosmic distances. WFIRST emerged as a top priority of Astro2010 in part because of its ability to address the mystery of cosmic acceleration through both high precision measurements of the cosmic expansion history and the growth of cosmic structures with multiple and redundant probes. We illustrate in this white paper how mission design changes since Astro2010 have made WFIRST an even more powerful dark energy facility and have improved the ability of WFIRST to respond to changes in the experimental landscape. WFIRST is the space-based probe of DE the community needs in the mid-2020s.

研究动机与目标

• 确立WFIRST为未来十年解决宇宙加速膨胀与暗能量之谜的最高优先级空间任务。
• 应对日益增长的宇宙学测量张力——特别是CMB与弱引力透镜数据之间的S8张力，以及CMB与本地距离阶梯测量之间的H0张力。
• 通过结合多种独立探测宇宙膨胀与结构增长的手段，实现稳健且可交叉验证的宇宙学约束。
• 提升弱引力透镜与超新星巡天中的系统误差控制能力，这对探测ΛCDM模型的微小偏离至关重要。
• 通过互补的深度、波长覆盖范围与观测时间安排，最大化与即将开展的地基巡天（如LSST与Euclid）的协同效应。

提出的方法

• 提出两种主要的WFIRST巡天模式：一半使用棱镜光谱仪、一半使用成像模式，用于对Ia型超新星（SNe Ia）进行光谱后续观测。
• 在RZYJ、RZYJ与YJHF滤光片下，分别于49、20与9 deg²的区域，以三档深度（22.3、24.5、26.1 mag）实现每批次访问总曝光时间15小时，观测周期为5天。
• 采用棱镜光谱法对3,400颗SNe Ia进行观测，可实现红移测定（z≤1.8时信噪比≥15）与亚型分类（z≤1.2时信噪比≥35）。
• 结合弱引力透镜、超新星距离测量与重子声学振荡，独立测量宇宙膨胀历史与结构增长。
• 通过与LSST和Euclid的交叉相关，提升光度红移测定精度、源源分离能力与形状测量验证，从而降低系统误差。
• 应用预估的巡天预测，推演WFIRST在现实系统误差预算下对宇宙学张力（包括S8与H0差异）的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 WFIRST的多探针方法能否解决当前宇宙学参数（如S8与H0）的张力？
• RQ2 WFIRST在系统误差控制方面的程度，能在多大程度上实现对ΛCDM或广义相对论偏离的稳健探测？
• RQ3 WFIRST、LSST与Euclid之间的协同效应将如何提升光度红移测定精度并减少模型退化？
• RQ4 在现有数据约束与WFIRST预期灵敏度范围内，新物理的发现空间（如早期暗能量或修正引力）有多大？
• RQ5 WFIRST结合成像与光谱观测，能否实现对宇宙膨胀历史与增长速率的自洽、交叉验证测量，精度达到亚百分之一？

主要发现

• WFIRST的半棱镜、半成像巡天将获得约3,400颗SNe Ia，其中1,200至1,600颗将实现光谱亚型分类，适用于z=1.8以内的演化研究。
• 全成像巡天将测量约11,000颗SNe Ia的距离，最远可达z=3，从而实现高红移膨胀历史的约束。
• 仅靠WFIRST的成像数据，即可解决S8张力问题。预测轮廓显示，即使在现实系统误差水平下，仍对ΛCDM的偏离保持高度敏感。
• WFIRST、LSST与Euclid的联合使用，将实现光度红移的交叉验证、源源分离与形状测量的协同优化，显著降低系统不确定性。
• WFIRST独有的能力——结合超新星、弱引力透镜、BAO与RSD等多种探测手段——为宇宙学参数提供了冗余校验，增强了对未知系统误差的鲁棒性。
• 即使当前张力在2020年代中期持续存在或演化为新张力，WFIRST的灵活性与高精度仍将对验证或排除统计偶然性或系统误差至关重要。