2021/01/27 SKA-Japanウェビナーシリーズ

いよいよ建設開始！

SKA と 10の科学- 宇宙論 山内大介
神奈川大学
工学部物理学教室

SKA は◆ どんな宇宙論サーベイがあってSKA-LOW(ν<350MHz)◆ どんなサイエンスが出来る？

SKA-MID2(ν>350MHz)SKA は◆ どんな宇宙論サーベイがあってSKA-LOW(ν<350MHz)

4つのサーベイモード◆ どんなサイエンスが出来る？
インフレーション・重力理論・素粒子物理・再電離物理 etc

SKA-MID3(ν>350MHz)SKAで実施が検討されている

電波域宇宙論サーベイ

観測量

4つのサーベイモード

ソース
銀河特定
銀河

IGM
(再電離前)

連続線（シンクロトロン放射）z<2, 3次元銀河分布

1ピクセルで積分

21cm線

銀河

HI銀河赤方偏移サーベイ
MID HI強度マッピング
z<3, 速く広いサーベイ

LOW HI強度マッピング
3<z<27, IGM内HIの21cm輝度温度

電波連続線サーベイ
z<6, 赤方偏移情報なし

観測量サーベイHI[21cm線]

HI銀河赤方偏移サーベイHI[21cm線]HI[21cm線]
シンクロ
トロン放射
可視域(gal)MID HI強度マッピング(MID-IM)LOW HI強度マッピング(LOW-IM)

電波連続線サーベイ(conti)e.g. Euclid

SKA
Phase

赤方偏移

掃天

観測
銀河数

Phase-1z<0.8

1/8~ 107

Phase-2z<23/4~ 109

Phase-1

z<33/4--Phase-2z<3.73/4--

Phase-1

3<z<271/40--

Phase-2

3<z<273/4--

Phase-1z<63/4~ 108

Phase-2z<63/4~ 109z<23/8~ 108

S = 70(SKA1gal), 5(SKA2gal), 1(SKA1cont), 0.1(SKA2cont) [μJy]Δθ = 1(SKA1), 0.1(SKA2) [arcsec], tint = 104 [hr]

カバーする赤方偏移の比較
ΛD

MD→ΛDMD[Bull+(2018)]

fully MD

SKA1連続線

Photometric/continuumsurveys

SKA2銀河赤方偏移

Spectroscopic galaxy
redshift surveys

SKA1銀河赤方偏移
SKA1LOW強度マップ[LOW:50-350MHz]

SKA1MID強度マップ[バンド1:350-1050MHz]

21cm intensity
mapping surveys

SKA1MID強度マップ[バンド2:950-1760MHz]

赤方偏移 zSKAで到達出来る電波域宇宙論
サイエンス

再電離
物理

再電離と関連

機械学習

磁場と関連
グローバル
シグナル

前景放射
パワー
スペクトル

他波長とのシナジーの可能性

SubaruEuclidLSST
Roman
LiteBIRD
CMB-S4

SimonsObservatoryALMAngVLA
TMTTMetc

インフレー
ション

LOW HI

重力レンズ

強度マップ
連続線サーベイ

他波長観測とのシナジー

HI銀河サーベイ

MID HI
強度マップ

インフレー
ション

素粒子物理

他波長観測とのシナジー

HI検出

ミッシングバリオン

HI
バイアス

バリオン
音響振動

赤方偏移
歪み
重力理論の検証
銀河進化と関連

宇宙論における観測量◆ 宇宙膨張率 (背景レベル) 状態方程式◆ 密度揺らぎ (摂動レベル)

線形成長率

線形成長指数[SKA Cosmology Red Book[Bacon+DY+](2018), Bull(2016)]

宇宙の膨張率の測定精度 σH/H

宇宙膨張率の決定精度

LOW-IMgal[B2]HETDEX gal

MID-IM[B1]MID-IM[B2]
Euclid gal

SKA2 gal

赤方偏移 z

注：SKA1スペックはKSPを想定(SKA1-fullではもう少し改善)[Planck VI(2018)]

状態方程式 時間変化 wa

状態方程式: Planck(CMB)

宇宙項

状態方程式 現在の値 w0

[Bull(2016),Planck VI(2018)]

状態方程式 時間変化 wa

状態方程式: SKA gal/MID-IM

SKA2 gal
SKA1 MID-IM[B1]
宇宙項
宇宙項
SKA1 MID-IM[B2]状態方程式 現在の値 w0

[ Planck VI (2018), Kohri+Oyama+Sekiguchi+T.Takahashi(2016)]

状態方程式: SKA LOW-IM
状態方程式 時間変化 wa

LOW-IM(6.8<z<10)でもgal/MID-IMと同程度に強力な制限！

SKA2 LOW-IM+Planck+BAO+SNe+H0(注意) 前景の適切な除去が必要→ SKAの大きなテーマ

SKA1 LOW-IM+Planck+BAO+SNe+H0

状態方程式 現在の値 w0

[SKA Cosmology Red Book[Bacon+DY+](2018), Bull(2016)]

揺らぎの成長率の測定精度 σfσ8/fσ8

密度揺らぎの成長率の決定精度
既存の測定
LOW-IMgal[B2]

MID-IM[B1]MID-IM [B2]HETDEX gal

Euclid gal
SKA2 gal

赤方偏移
赤方偏移 zz

注：SKA1スペックはKSPを想定(SKA1-fullではもう少し改善)

DGPブレーンワールド
一般相対性理論
有質量重力

KGB重力f(R)重力状態方程式 現在の値 w0

重力理論に鋭敏

線形成長指数 ɤ

線型成長率[Bull(2016), SKA Science Book(RSD)(2015)]

線型成長率[Bull(2016), SKA Science Book(RSD)(2015)]

線形成長指数 ɤ

SKA1(LOW-IM)
SKA1(MID-IM[B1])
SKA2(gal)

SKA1(MID-IM[B2])
既存の制限状態方程式 現在の値 w0

[単一場のとき：DY+Oguri+K.Takahashi (2014)]

シナジーによるインフレーション検証
インフレーションの整合性条件 τNL ≧((6/5)fNL)2

4点関数非線形パラメータ τNL[Suyama+Yamaguchi(2008)他日本人による多数の貢献]

SKA1(conti)

SKA2(conti)
SKA2(conti)+Euclid
3点関数非線形パラメータ fNL

破れが見えた場合にはインフレーションに絶大なインパクト!

[DY+K.Takahashi (2015)]

SKAサイエンスブック/レッドブック◆ SKAサイエンスブック [2015]
https://www.skatelescope.org/books/◆ SKA宇宙論班編レッドブック[SKA Cosmology SWG:Bacon+DY+(2018)]

 日本SKAコンソーシアムによる寄与◆ 日本版SKAサイエンスブック [2015, 2020]
http://ska-jp.org/SKAJP_Science_Book_2020.pdf◆ SKA-JP宇宙論班編サイエンスレビュー[SKA-Japan Cosmology SWG:DY+(2016)]

まとめ➢ SKAでは宇宙論に適した4つのサーベイモード✓HI銀河赤方偏移サーベイ: 究極サーベイ(Ngal~109)
✓ MID HI強度マッピング : 速く広いサーベイを実現
✓ LOW HI強度マッピング : 再電離物理に迫る✓ 電波連続線サーベイ：遠方(z~6)まで観測可➢ 多様な宇宙論サイエンス

インフレーション・重力理論・再電離物理・素粒子物理・重力レンズ etc

Thank you!