2015/03/03-05 SKA-Japanワークショップ2015@天文台

SKAによる宇宙論
山内大介
東京大学
ビッグバン宇宙国際研究センター& SKA-JP宇宙論科学検討班

目次
1. 国際SKAおよびSKA-JPの宇宙論SWG

2. SKAサイエンスブック
2.1 宇宙論の現状と未解決問題
2.2 国際SKAが狙うサイエンス
2.3 SKA-JPが狙うサイエンス

3. まとめ目次
1. 国際SKAおよびSKA-JPの宇宙論SWG

2. SKAサイエンスブック
2.1 宇宙論の現状と未解決問題
2.2 国際SKAが狙うサイエンス
2.3 SKA-JPが狙うサイエンス

3. まとめ国際SKA「宇宙論」科学検討班
R. Maartens (W. Cape; Chair) F. Abdalla (College London)
J. Pritchard (Imperial College) D. Bacon (Portsmouth)
C. Blake (Swinburne)
S. Inoue (Max Planck Inst.)
M. Jarvis(Oxford)
M. Santos (W. Cape)J.-L. Starck (CEA-CNRS)
S. Prunet (IAP)
T.R. Choudhury (NCRA)
A. Cooray (California)
U.-L. Pen (CITA)
S. Zaroubi (Groningen)
D. J. Schwarz (Bielefeld)
H.-R. Kloeckner (MPIfR)
A.Raccanelli (CalTech)
C. Jackson (Curtin)
P. Patel (SKA)
S. Colafranceso (Wits)
L. Miller (Oxford)
S. Bridle (Manchester)S. Prunet (IAP)
B. Joachimi (UCL)
J. Weller (LMU)
S. Borgani (INAF)
F. Perrota (INAF)
G. De Lucia (INAF)
B. Metcalf (Bologna)
M. Kunz (Geneva)
G. Zhao (Portsmouth)
S. Camera (Lisboa)

S. Furlanetto (California)
G. Bernardi (SKA)
K. Takahashi (Kumamoto)
P. Ferreira(Oxford)
X. Chen (NAO)
T. Chang (ASIAA)
M. Brown (U. Manchester)P. Bull (ITA)
C. Cress (U. W. Cape)T. Kitching (UCL)
C. Clarkson (Cape Town)
B. Nichol (Portsmouth)
M. Viel (INAF)
J.-P. Kneib (EPFL)
M. Magliocchetti (INAF-IAPS)
M. Kunz (Geneva)

国際SKAサイエンスブック「宇宙論」• 1501.04076 Cosmology with the SKA – overview
Maartens et al.

• 1501.04035 Cosmology from HI galaxy surveys with the SKA
Abdalla et al.
• 1501.03978 Euclid & SKA Synergies
Kitching et al. (including Takahashi, Oguri, Yamauchi)• 1501.03892 Weak lensing simulations for the SKA
Patel et al.
• 1501.03989 Cosmology with a SKA HI intensity mapping survey
Santos et al.
• 1501.03859 Overview of Complementarity and Synergy with
Other Wavelengths in Cosmology in the SKA era
Takahashi et al. (including Oguri, Yamauchi)

国際SKAサイエンスブック「宇宙論」• 1501.03851 Cosmology on the largest scales with the SKA
Camera et al.
• 1501.03840 Model-independent constraints on dark energy and modified
gravity with the SKA
Zhao et al.
• 1501.03828 Weak gravitational lensing with the Square Kilometre ArrayBrown et al.

• 1501.03825 Cosmology with SKA radio continuum surveys
Jarvis et al.
• 1501.03821 Measuring redshift-space distortions with future SKA surveys
Raccanelli et al.
• 1501.03820 Testing foundations of modern cosmology with SKA all-sky surveys
Schwarz et al.

SKA-JP「宇宙論」科学検討班
第3章 宇宙論
3.1. イントロダクション：
標準宇宙論と未解決問題
3.2. 国際SKAのサイエンス
3.3 日本が狙うサイエンス

市來淨與 （名古屋大）井上進（Max Planck Int.）
大栗真宗 （東京大）大山祥彦 （総合研究大学院大）郡和範（KEK）
島袋隼士 （名古屋大）
関口豊和 （Helsinki大）高橋慶太郎 （熊本大）
高橋智（佐賀大）○山内大介 （東京大）横山修一郎 （立教大）
吉川耕司 （筑波大）

目次
1. 国際SKAおよびSKA-JPの宇宙論SWG

2. SKAサイエンスブック
2.1 宇宙論の現状と未解決問題
2.2 国際SKAが狙うサイエンス
2.3 SKA-JPが狙うサイエンス

3. まとめ標準宇宙論 一様等方宇宙模型• 通常物質• 冷たい暗黒物質• 宇宙項（暗黒エネルギー）
Planck衛星HP

6-パラメータ標準宇宙模型：ΛCDM
構成割合

Ωb h2 : 通常物質
Ωc h2 : 暗黒物質

宇宙物理
τ : 光学的深さ

密度揺らぎ初期条件

幾何学
H0 : ハッブル定数

PR(k)=As(k/k0)ns-1
As : 振幅
ns : 冪これだけでほぼ全ての観測データを説明できる！
Planck衛星HP

6-パラメータ標準宇宙模型：ΛCDM
 密度揺らぎの初期条件

PR(k) ~ 2×10-9 (k/0.05Mpc-1)-0.04： インフレーション模型と整合的
 宇宙の構成成分

Ωb ~ 0.05 : 通常物質
Ωc ~ 0.27 : 暗黒物質
ΩΛ = 1 – Ωc - Ωb ~ 0.68 : 暗黒エネルギー
 幾何学と宇宙物理

H0 ~ 70 [km/s/Mpc] : ハッブル定数
τ ~ 0.1 : 光学的深さ

6-パラメータ標準宇宙模型：ΛCDM
 密度揺らぎの初期条件

どうやって起こった？

PR(k) ~ 2×10-9 (k/0.05Mpc-1)-0.04： インフレーション模型と整合的
 宇宙の構成成分

Ωb ~ 0.05 : 通常物質
Ωc ~ 0.27 : 暗黒物質

95%が未知ΩΛ = 1 – Ωc - Ωb ~ 0.68 : 暗黒エネルギー 幾何学と宇宙物理

H0 ~ 70 [km/s/Mpc] : ハッブル定数
τ ~ 0.1 : 光学的深さ

宇宙論の未解決問題
インフレーションはどのように起こったのか？

暗黒エネルギー

暗黒物質の正体とは？の正体とは？

宇宙論的観測手法
宇宙マイクロ波背景輻射宇宙大規模構造• バリオン音響振動• 赤方偏移方向歪み• 重力レンズ効果

宇宙論的観測手法

CMB温度揺らぎ
全天マップ

宇宙マイクロ波背景輻射宇宙大規模構造 標準宇宙論を確立• バリオン音響振動 (BAO) B-モード偏光観測
原始重力波を観測?
•→赤方偏移方向歪み(RSD)[BICEP2 (2014)]

重力レンズ効果 • 弱重力レンズ観測[SPTPol, PolarBear and more] スペクトル歪み

角度パワースペクトル [(μK)2][COBE, WMAP, Planck,…]

角度スケール
CMB温度揺らぎ
角度パワースペクトル[Planck (2013)]

多重極モーメント 音響ホライズン
宇宙マイクロ波背景輻射
→ 距離指標銀河2点相関関数

宇宙論的観測手法

宇宙大規模構造• 重力レンズ効果
 銀河固有速度→ 揺らぎの成長率
 暗黒エネルギー探査[SDSS-III BOSS]

銀河間距離 [Mpc/h]

視線方向距離 [Mpc/h]• バリオン音響振動→ 杉山さんトーク• 赤方偏移方向歪み

バリオン音響振動

赤方偏移方向歪み

視線[SDSS-III BOSS] 方向
天球方向距離 [Mpc/h]宇宙論的観測手法
元の像

宇宙マイクロ波背景輻射宇宙大規模構造レンズ源(暗黒物質)• バリオン音響振動• 赤方偏移方向歪み• 重力レンズ効果
 前景暗黒物質による銀河像の歪み
 密度揺らぎとその進化

観測像

目次
1. 国際SKAおよびSKA-JPの宇宙論SWG

2. SKAサイエンスブック
2.1 宇宙論の現状と未解決問題
2.2 国際SKAが狙うサイエンス
2.3 SKA-JPが狙うサイエンス

3. まとめSquare Kilometre Array
集光面積：1 km2周波数域：50MHz-10GHz
特徴：高感度、高視野、広帯域、高分解能

中性水素の(赤方偏移した)21cm線
νemit = 1.42 GHz
λemit = 21 cmpe

陽子
tripletp電子

陽子
singlet 中性水素原子の超微細構造
 赤方偏移した周波数 νobs=1.42/(1+z) GHz(参考)• 50 MHz → z=27
• 70 MHz → z=19e
電子

→ 杉山さんトーク

 HI輝線サーベイ
 HI銀河赤方偏移サーベイ (gal)• 赤方偏移情報 (z<2)• 銀河分布

新たな観測手法
最初の観測[Chang+(2010)]

 HI強度マッピングサーベイ (IM)• ピクセル内の全ての21cm放射の積分量を観測• SKA1でも高赤方偏移(z<3)+広範な掃天 21cm線サーベイ → 大山さん、関口さんトーク• 再電離期以前の中性水素の分布

新たな分野

 銀河連続線サーベイ (conti)• シンクロトロン放射• 赤方偏移はわからないが、感度高い (z<6)• 弱重力レンズ効果

系統誤差の削減

観測量21cm輝線

21cm輝線

赤方偏移 掃天範囲(z)(deg2)

サーベイ
HI銀河赤方偏移サーベイ (gal)

SKA1
MID/SURz<0.75,000~ 107

SKA2z<230,000~ 109

z<330,000--

SKA2z<3.730,000--

SKA1
MIDz<630,000~ 108

SKA2z<630,000~ 109

z<215,000~ 108

SKA1
HI強度マッピング MID/SUR

サーベイ (IM)

シンクロトロン放射

銀河連続光サーベイ (conti)

可視/光赤外e.g. Euclid

銀河数(個)

Δν/ν = 0.3 @ 0.8-1.7[GHz]Δθ = 1 [arcsec]

S = 1 [μJy]tint = 104 [hour]

観測量

赤方偏移 掃天範囲
サーベイ``Billion galaxy survey’’: 2(z)(deg )
SKA1
究極の宇宙論サーベイ
z<0.75,00021cm輝線

HI銀河赤方偏移 MID/SUR
サーベイ (gal)

シンクロ
トロン放射

可視/光赤外~ 107

z<230,000~ 109

z<330,000--

SKA2z<3.730,000--

SKA1
MID

z<630,000~ 108

SKA1であっても SKA2Euclidに匹敵！

z<630,000~ 109

z<215,000~ 108

SKA221cm輝線

銀河数(個)SKA1
HI強度マッピング MID/SUR

サーベイ (IM)
銀河連続光サーベイ (conti)

e.g. Euclid

Δν/ν = 0.3 @ 0.8-1.7[GHz]Δθ = 1 [arcsec]

S = 1 [μJy]tint = 104 [hour]

国際SKAが狙うサイエンス
 SKA-JPサイエンスブック3.2節

 バリオン音響振動 赤方偏移空間歪み
 HI強度マッピング：前景放射 HIトポロジー 超地平線スケール宇宙論
 弱重力レンズ
 銀河団宇宙論
 宇宙原理国際SKAが狙うサイエンス
 SKA-JPサイエンスブック3.2節

 バリオン音響振動 赤方偏移空間歪み
 HI強度マッピング：前景放射 HIトポロジー 超地平線スケール宇宙論
 弱重力レンズ
 銀河団宇宙論
 宇宙原理[SKA Science Book; baryon acoustic oscillation(2015)]

バリオン音響振動 (gal, IM) 暗黒エネルギー

図：SDSS

EuclidPgal(BAO)/Pgal(no BAO)-1

SKA1-SUR (gal)SKA1-MID B1 (IM)SKA2 (gal)

波数モード [1/Mpc]

 SKAは2020年代を牽引する性能を持つ！

波数モード [1/Mpc]

[Planck XIV(2013), SKA Science Book; baryon acoustic oscillation(2015)]

バリオン音響振動 (gal, IM) 暗黒エネルギー
暗黒エネルギー状態方程式 時間変化 wa

暗黒エネルギーの状態方程式への制限

宇宙項

暗黒エネルギー状態方程式 定数部 w0

[Planck XIV(2013), SKA Science Book; baryon acoustic oscillation(2015)]

バリオン音響振動 (gal, IM) 暗黒エネルギー
暗黒エネルギー状態方程式 時間変化 wa

暗黒エネルギーの状態方程式への制限

SKA1 (IM)
宇宙項

SKA2 (gal)

EuclidSKA1 (gal)

暗黒エネルギー状態方程式 定数部 w0

[Bull+(2014), SKA Science Book; redshift space distortion (2015)]

赤方偏移方向歪み (gal, IM) 暗黒エネルギー
暗黒エネルギー状態方程式 定数部 w0

暗黒エネルギーの代替要素としての重力理論の修正

SKA1-MID (IM)f(R)重力理論

DGPブレーンワールド模型

一般相対論

SKA2 (gal)
有質量重力理論

EuclidSKA1-SUR (IM)

密度揺らぎ成長率指数 γ[ d(ln δgal)/d(ln a)=(Ωm(z))γ ][Bull+(2014), SKA Science Book; redshift space distortion (2015)]

赤方偏移方向歪み (gal, IM) 暗黒エネルギー
暗黒エネルギー状態方程式 定数部 w0

暗黒エネルギーの代替要素としての重力理論の修正

SKA1-MID (IM)f(R)重力理論

DGPブレーン
ワールド模型

一般相対論

SKA2 (gal)
有質量重力理論

EuclidSKA1-SUR (IM)

密度揺らぎ成長率指数 γ[ d(ln δgal)/d(ln a)=(Ωm(z))γ ][SKA Science Book; weak lensing, complementarity (2015)]

弱重力レンズ効果 (conti)
 観測量 = 銀河像の歪み具合
元の銀河像 : γint

重力レンズ起源 固有の(知りたいもの) 歪み率

レンズ源 : γgrav(暗黒物質)

系統誤差相関を持つ:本質的なノイズ源

電波(SKA)と可視光(e.g. Euclid)との協働によるノイズ除去！
観測される銀河像 :γ=γgrav+γint+γsys

[SKA Science Book; weak lensing, complementarity (2015)]

弱重力レンズ効果 (conti)
 電波観測(r)と光学観測(o)との相互相関

銀河偏向情報による固有歪み度の再構成

固有歪み度相互相関は小さい [Patel+(2010)]：電波と可視光で放射機構が異なるため異なる観測間の系統誤差は十分小さい

光学観測との協働により、これまでにない精度を達成可能！

目次
1. 国際SKAおよびSKA-JPの宇宙論SWG

2. SKAサイエンスブック
2.1 宇宙論の現状と未解決問題
2.2 国際SKAが狙うサイエンス
2.3 SKA-JPが狙うサイエンス

3. まとめ精密宇宙論観測の困難
 宇宙論的な情報に対するノイズ
 密度揺らぎの非線形発展
 バリオン物理を含む宇宙物理的過程

この困難を克服するためには…

1. 広視野2. 深宇宙SKAなら可能！に特化する必要がある！

1.広視野 ： 「超地平線スケール宇宙論」
 密度揺らぎ： 線形領域

 宇宙物理過程 ： 介在しない

2.深宇宙 ： 「21cm線観測による深宇宙探査」
 密度揺らぎ: 小スケールまで線形領域

 宇宙物理過程 ： 再電離班との協働により分離

クリーンな宇宙論観測

SKA-JP宇宙論班が狙うサイエンス

3. 理論予言 ： 「精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー」

インフレーション
はどのように起こったのか？

(1)超地平線
スケール探査赤方偏移方向歪み

密度揺らぎ多点関数(2)21cm線探査

（３）理論
模型構築

スケール依存するバイアス

小スケール密度揺らぎ

暗黒エネルギー

暗黒物質の正体とは？の正体とは？

インフレーションはどのように起こったのか？

 原始曲率揺らぎ → スケール不変からのわずからのズレ(5σ)PR(k) ∝ k-0.04 [WMAP, Planck,…] 原始重力波 → 原始曲率揺らぎの10%以下 [Planck][future : LiteBIRD, COrE+, PIXIE,…]

 原始揺らぎの統計性 → 「ほぼ」ガウス分布 [Planck] ガウス分布からのズレをパラメータ化： 非線形パラメータ fNL [Komatsu+Spergel (2001)]

[Planck XXIV(2013), Ho+(2013), Giannantonio+(2014)]

原始非ガウス性 fNL
10 6 31

多様なインフレーション模型
揺らぎの非線形性

銀河CMB観測サーベイにより否定
により否定

観測の壁

→ 杉山さんトーク

0.01

0.1

シンプル
インフレーションfNL

50

インフレーション

インフレーションの最後のフロンティア！

[Planck XXIV(2013), Ho+(2013), Giannantonio+(2014)]

我が国による多数の重要な寄与

インフレーション
Moroi+T.Takahashi(2001),
原始非ガウス性fNLYokoyama+Suyama+Tanaka(2007, 2008),

10 6 31

揺らぎの非線形性

銀河CMB観測
サーベイにより否定
により否定

観測の壁→ 杉山さんトーク

0.010.1

シンプル
インフレーション

fNL

50

Kawasaki+Nakayama+Sekiguchi+(2008, 2009),
Suyama+Yamaguchi(2010),
Suyama+T.Takahashi+Yamaguchi+Yokoyama (2010)
他多数
多様なインフレーション模型

インフレーションの最後のフロンティア！

(1) 原始非ガウス性探査

インフレーションb(fNL)/b(fNL=0) 原始非ガウス性 → スケールに依存するバイアス
fNL=+100fNL=+500

fNL=-100fNL=-500[Dalal+(2008)]

波数モード [h/Mpc]
 超地平線スケール観測が鍵！

宇宙の単一性による有限サンプルノイズ

 マルチトレーサー法 [Seljak (2009)]：データを分割して解析することで、コズミックバリアンスノイズに依らずにバイアスの比を制限することができる！

[SKA Science Book; Euclid & SKA synergies (2015)]

先行研究：
マルチトレーサー法

インフレーション

SKA, Euclid単独でもσ(fNL)=1を達成可能であり、協働することでσ(fNL)=0.1を狙うことができる！

Error on fNL[Yamauchi+K.Takahashi+Oguri (2014)]

それぞれ5つのトレーサーに分割
Euclid : ショットノイズが同じになるように分割
SKA : 銀河タイプで分割

Euclid SKA1 Euclid+SKA1 SKA2 Euclid+SKA2

原始非ガウス性 fNL
10 6 3

銀河
CMB観測
サーベイ
により否定
により
否定

10.1

多様なインフレーション模型
観測
揺らぎのの非線形性
壁SKA1(連続光)SKA2(連続光)+光赤外

SKA2+α0.01
シンプル
インフレーション

fNL50インフレーション

将来計画 (1)インフレーション

原始非ガウス性の理論的研究は我が国による多くの重要な寄与[SKA-JP SWG : 郡, 関口, 高橋（智）,高橋（慶）, 横山] 原始非ガウス性 + マルチトレーサー法 原始ガウス性の一般化 ： fNL, τNL, gNL, fNLeq, fNLorth,…
[e.g. Gong+Yokoyama (2011), Yokoyama+Matsubara (2011)]
これらを網羅的に調べなければ真のインフレーション模型の全貌を明らかにすることはできない！

 無矛盾条件 (須山-山口不等式)

τNL ≧ (36/25) (fNL)2[Suyama+Yamaguchi (2010), Sugiyama+Komatsu+Futamase (2013)]

インフレーション模型を決定付ける！

将来計画 (1)赤方偏移方向歪み
暗黒エネルギー 赤方偏移方向歪み+ マルチトレーサー法暗黒エネルギー模型をCVに依らずに厳しく制限！

視線[SDSS-III BOSS] 方向

インフレーション
暗黒エネルギー マルチトレーサー法の改良
 銀河形状-質量関係の精密化 → 銀河班との協働

暗黒物質の正体とは？

 地上実験 : 暗黒物質未発見

 宇宙観測 : 深宇宙に暗黒物質の重要なヒント！

 暗黒物質 ： 大規模構造の進化をトレース• 構造の時間進化• 小スケールまで探査

21cm輝線サーベイ

21cm輝線サーベイ
 輝度温度

暗黒物質

宇宙論

宇宙論
[mK]

天体物理

天体物理

→ 市來さんトーク
 CMBに対する放射・吸収/背景光源に対する吸収
 宇宙論・天体物理の両者の情報を含む→ 再電離班との協働により適切に分離
暗黒物質の諸性質に鋭敏！

高赤方偏移・小スケールにわたって宇宙論の情報を引き抜くことができる！

21cm線による深宇宙探査
 ニュートリノ

大山さん

 暗黒物質性質

逆階層+SKA
ニュートリノ質量和 [eV]

21cm線輝度温度 [(mK)2]

ニュートリノ階層の質量差

正常階層

関口さん

[Sekiguchi+Tashiro (2014)][Oyama+Shimizu+Kohri (2012)]

CMB観測のみ

暗黒物質

赤方偏移

これまで地上実験により確かめられてきた暗黒物質の諸性質/背後にある素粒子模型を高精度宇宙観測によって明らかにできる！

将来計画 (2)SKA-JP再電離班との協働が重要

暗黒物質

 21cm線サーベイを用いた深宇宙探査
 高赤方偏移+小スケール → 暗黒物質の諸性質に鋭敏 我が国による先駆的研究 → 世界を牽引[Kohri+Oyama+Sekiguchi+T.Takahashi (2013, 2014),
Sekiguchi+Tashiro+Silk+Sugiyama (2014),
Kawasaki+Sekiguchi+T.Takahashi (2011),…]

電波観測から暗黒物質探査にヒントを！
インフレーション[Cooray (2006)]

 密度揺らぎ多点関数の直接観測から探る原始非ガウス性

(3) 精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー

インフレーション
暗黒物質
暗黒エネルギー 超地平線スケール：相対論効果を無視することができない！
 銀河サーベイにおける相対論補正：• 原始非ガウス性探査と相補的• 補正項を用いた暗黒エネルギー探査 21cm線サーベイにおける相対論的補正：• 再電離班との協働が鍵目次
1. 国際SKAおよびSKA-JPの宇宙論SWG

2. SKAサイエンスブック
2.1 宇宙論の現状と未解決問題
2.2 国際SKAが狙うサイエンス
2.3 SKA-JPが狙うサイエンス

3. まとめまとめ 電波宇宙論で未解決問題に決定打を！

インフレーションはどのように起こったのか？

SquareKilometreArray
暗黒エネルギー

暗黒物質の正体とは？の正体とは？