2020年代の宇宙論・構造形成
高田昌広（班長）
大栗真宗（サブリーダー）
班員：浜名崇(NAOJ), 樽家篤史(京大), 齊藤俊(IPMU), 宮武広直(Princeton/IPMU), 奥村哲平(IPMU), 日影千秋(IPMU), 高橋龍一(弘前大), 西澤淳(名大), 鮫島 寛明 (京産大）

科学目標• 宇宙の始まりは？(インフレーション）‒ 原始密度ゆらぎの物理• 現在の加速度膨張の起源は？
‒ ダークエネルギー or 重力の修正• 我々はどこから来たのか？
‒ 構造形成・銀河形成の物理の理解‒ ダークマターの正体は？ニュートリノ
宇宙論の強み：素粒子・宇宙物理・天文の融合領域。
天文学の基本データである広天域撮像・分光データを提供

これまでの議論のポイント• サイエンスの重要性• サイエンス 手段・手法• 独自性：可視光・赤外の観測でしかできない計画か？
• サイエンスの発展性、他の分野との相乗効果は？
• 実現可能性は？
• 国際情勢、国際競争力は？宇宙膨張の変遷
ダークエネルギー
インフレーション

減速膨張（ダークマター）

宇宙の構造形成
初期条件(~10-5の揺らぎ)

現在の宇宙(>105の増幅)

gravity (dark matter)timecosmic expansion (dark energy)• The present-day large-scale structure arises froma gravitational amplification of the tiny
perturbations in the early universe• Assume Cold Dark Matter (CDM) for unknown
source of gravity – cold, massive & collision-less• LCDM = current standard model• Gravity (DM) vs. Cosmic expansion (DE)

Planck collaboration
5ΛCDMモデル
6000

Planck collaboration

D`T T [µK2 ]5000

The simplest theoretical model with
~6 parameters can simultaneously fit~2500×3 independent data points

4000
3000

最も単純な初期条件（インフレーション）を仮定

2000
1000

D`T T

0600

60300-30-60300
0-300-600
21030500

1000

`

1500

2000

2500

宇宙論に必要なサーベイ• 広天域の銀河（銀河間ガス）のイメージ
ング・分光サーベイ• CMB = 晴れ上がりの2次元の情報• 銀河サーベイ＝3次元の情報 （圧倒的な情報量）• 銀河→ダークマター→理論と比較• 銀河バイアス、ガス物理の不定性
Tegmark & Zaldarriaga 09

Cosmological Collider
Physics
Nima Arkani-Hamed (IAS)

CMBの限界（B-mode除く）
加速器実験（LHC; ~TeV）の限界

also see http://physics.princeton.edu/cmb50

初期宇宙、素粒子物理の研究者の参入
光赤外天文はこの潮流をうまく利用すれば良い

9

国際情勢、国際競争力
2020

2019

2018

2017

2016

2015

2014

2013

BAO

2012

2011
WL

HSC
DES

LSST?
SDSS/BOSSeBOSS

広天域撮像・分光サーベイが世界の潮流
すばるHSC・PFSは絶好のタイミング
2020年代の宇宙論をリード

EuclidDESIPFSWFIRST?

HSC SSP Survey (PI: S. Miyazaki)
HSC-D

R.A.

HSC-W

DEC

HSC-D/UD
Galactic Extinction E(B-V)• 2014 – 2019 (so far 21 nights)• Three survey layers– Wide (i~26, grizy, 1400 deg2)– Deep (i~27, grizy+NBs, 28 deg2)– Ultra-D (i~28, grizy+NBs, 3.5 deg2)

Miyazaki et al. 15; HSC is working!
遠方銀河像の重力効果測定から復元したダークマ
ターの地図 (Miyazaki+ApJ 2015)
注：シャープな結像性能

Power of PFS
Best datasets at z>1… before WFIRST (NASA: 2025-)

PFS (8.2m) for z~1.5 slice

4m-class tel.

Model-independent DE reconstruction

ρde (z ⊂ zi )Ωde (z) =3H 2 (z)8π G

銀河の3次元地図による宇宙論
広天域銀河イメージング＋分光(現時点のデータ)シミュレーション（ダークマターの分布）

視線方向は過去の宇宙の姿を見ることと等価

すばる観測と理論モデルを直接的に比較し、宇宙の加速膨張、重力理論を検証 （銀河の分布とダークマターの分布の関係を観測的に解決）

2020年代に必要なサーベイ• 宇宙の初期条件の物理‒ (信号は？）原始非ガウス性、原始パワースペクトル、宇宙の曲率‒ (データは？）広天域銀河分光サーベイ（＋イメージング）‒ (計画？）PFS, HSC, DESI, Euclid, WFIRST• 現宇宙の加速膨張の物理‒ ダークエネルギーの状態方程式、重力レンズ、BAO、ダークマターの分布、宇宙膨張の直接測定、AGN反響マッピング‒ 広天域銀河イメージング(高結像性能)＋分光サーベイ、TMTによる高分解能分光‒ HSC, PFS, DESI, LSST, Euclid, WFIRST, TMT• 構造形成・銀河形成の物理の理解、ダークマターの正体‒ 銀河・DM分布の関係（クラスタリング、Abundance Matching)、ニュートリノ質量、銀河間ガスマッピング‒ 広天域銀河イメージング(高結像性能)＋分光、TMT分光、多波長データ‒ HSC, PFS, DESI, LSST, Euclid, WFIRST, TMT

新学術領域「なぜ宇宙は加速するのか？- 徹底的究明と将来への挑戦」(加速宇宙：代表 村山斉)•••••••••

A01 インフレーション理論 (京大 佐々木節)
A02 ダークマター・構造形成理論（東北大 高橋史宜）
A03 ダークエネルギー（名大 杉山直）
B01 CMB実験 (Simons Array, LiteBIRD) (KEK 羽澄昌史)
B02 HSC (NAOJ 宮崎聡)
B03 銀河分光サーベイ・PFS (IPMU 高田)
B04 TMTによる宇宙膨張の直接測定のR&D (NAOJ 臼田知史）
C01 究極理論 (Caltech/IPMU 大栗博司）
D01 究極物理解析 (MPA/IPMU 小松英一郎)• 公募研究‒ E01 宇宙の進化と構造に関する理論・数値的な研究‒ E02 宇宙の進化と構造に関する理論・観測的な研究‒ E03 宇宙の進化と構造に関する理論・実験・観測をまたぐ研究

積極的な応募をよろしくお願いします！