2015/09/11 天文学会企画セッション

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

標準宇宙論と未解決問題

標準宇宙論と未解決問題

暗黒エネルギーの正体とは？

インフレーションはどのように起こったのか？

暗黒物質の正体とは？

SQUARE KILOMETRE ARRAYによる宇宙論SKA (中間周波数帯)

 HI銀河サーベイ
 強度マッピングサーベイ
 連続線サーベイ 歪み場サーベイ

SKA (低周波数帯)

 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(HI)サーベイ• 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

シンクロ
トロン放射

サーベイ
HI銀河赤方偏移サーベイ (gal)

HI強度マッピン
グサーベイ (IM)
銀河連続光サーベイ (conti)

シンクロ
トロン放射

歪み場弱重力レンズサーベイ

可視/光赤外Euclid

SKAphase

赤方偏移 掃天範囲(z)(deg2)

銀河数(個)

SKA1MID(B2)z<0.85,000~ 107

SKA2z<2all-sky~ 109

SKA1MID(B1+2)& LOW

z<3all-sky--z<3.7z<6all-sky
all-sky-~ 108z<6z<3all-sky
5,000~ 109
3 [arcmin-2]z<6all-sky

10 [arcmin-2]

z<215,000~ 108

SKA2
SKA1MID(B2)SKA2
SKA1MID(B2)

SKA2

観測量21cm輝線21cm輝線

シンクロ
トロン放射
シンクロトロン放射

可視/光赤外サーベイ

SKA赤方偏移 掃天範囲``Billion
galaxysurvey’’:phase(z)(deg2)
究極の宇宙論サーベイ
SKA1z<0.85,000

HI銀河赤方偏移サーベイ (gal)

HI強度マッピン
グサーベイ (IM)
銀河連続光サーベイ (conti)

MID(B2)~ 107

SKA2z<2all-sky~ 109

SKA1MID(B1+2)& LOW

z<3all-sky--z<3.7z<6all-sky
all-sky-~ 108z<6z<3all-sky
5,000

~ 109
3 [arcmin-2]z<6all-sky

10 [arcmin-2]

z<215,000

~ 108

SKA2
SKA1MID(B2)

SKA2SKA1
MID(B2)

歪み場弱重力SKA1であってもレンズサーベイ
SKA2Euclidに匹敵！
Euclid銀河数(個)

1.広視野 ： 「超地平線スケール宇宙論」
山内、横山、高橋（慶）、大栗 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」
大山、郡、関口、島袋、高橋（慶）、高橋（智）、横山、吉川 密度揺らぎ: 小スケールまで線形領域クリーンな宇宙論観測

SKA-JP宇宙論班が狙うサイエンス 宇宙物理過程 ： 再電離班との協働により分離

3. 理論予言 ： 「精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー」

SKA-JP宇宙論班が狙うサイエンス
1.広視野 ： 「超地平線スケール宇宙論」
山内、横山、高橋（慶）、大栗 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」

B09a
大山さん

大山、郡、関口、島袋、高橋（慶）、高橋（智）、横山、吉川 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

3. 理論予言 ： 「精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー」

SKA-JP宇宙論班が狙うサイエンス
1.広視野 ： 「超地平線スケール宇宙論」
山内、横山、高橋（慶）、大栗 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」

B09a
大山さん

大山、郡、関口、島袋、高橋（慶）、高橋（智）、横山、吉川 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

3. 理論予言 ： 「精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー」

目的：銀河バイアスを通じたインフレーション機構の決定

fNL

 原始重力波

SKA銀河サーベイで探査可能
1
0.1
10 6
様々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！

0.01
シンプル
インフレーション 原始揺らぎの統計性 原始曲率揺らぎ

原始非ガウス性探査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！

 マルチトレーサー法 [Seljak (2009)]：形態分類した銀河サンプルを解析することで、コズミックバリアンスに依らずにバイアスの「比」を決定できる！

ターゲット：形態分類した銀河サンプルのパワースペクトル
重い銀河

軽い銀河
[Ferremacho+ (14)]fNL 決定精度

Euclid : 5つの質量ビン
SKA[連続波]: 5種類の形態分類[山内+高橋(慶)+大栗 (14)]

Euclid SKA1 E+S1 SKA2 E+S22
3 μJy depth
掃天：30,000deg
性能要求分解能 : 1 arcsec 積分時間 : 104時間

将来計画

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)]
インフレーション模型を決定付ける！

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？

Proposed KSPs
 3D map of the Universe across cosmic time
• All-sky, B1, 104hrs, high-z HI IM out to z~2, drift scan,using auto-correlation for large-scale and interferometer data Testing the foundations of cosmology with radio continuum• All-sky, B2 (centered at 1GHz), 104hrs
 Direct mapping of dark matter with weak lensing• All-sky, B2, 104hrs• 1000 deg2, B2, 104hrs• 10 deg2, B2, 103hrs, calibration for WL (pol data)

SKA1周波数割り当て
10227

13

104

103
3

0.5

1.52GHz=ν21

νobs[MHz]zHI=ν21/νobs -1
LOW[50-350;Δ=300]
B1[350-1050;Δ=700]
B2[950-1760;Δ=810]
B2’[750-1450]

B5[4600-13800;Δ=5000]

B3[1650-3050;Δ=1400]
B4[2800-5180;Δ=2380]

宇宙論KSP
102

27

104

103

13

3

0.5

1.52GHz=ν21

νobs[MHz]zHI=ν21/νobs -1
LOW[50-350;Δ=300]
B1[350-1050;Δ=700]
post-EoR
IM:LOW[1000deg2]

HI:450-1450[all-sky]B2[950-1760;Δ=810]

B2’[750-1450]
WL:

B5[4600-13800;Δ=5000]

8001200
B3[1650-3050;Δ=1400]

B4[2800-5180;Δ=2380]

survey

cosmo

conti

HI

EoR

mag

pulsarTrans

All sky4501450:IM50-250

B1
: abs

50-250drift

B2(low)

300(low)

B5, B2,(B1)1000[deg2]

8001200:WL~1000

B250-450(4000de tomo,g2)
PS, abs

B1+B2

B5, B2,(B1)

B5~1000

B2(4000deg2)

2020(60deg2)

B5, B2,(B1)B57951470

B2
B5

B5, B2,(B1)B5, B2,(B1)100[deg2]

10[deg2]

8001200:calib1[deg2]

B5450-825

B50.08[deg2]

B5B2
targetedGal
centerB5 : Galcenter

MW

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)

HI強度マッピング
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)

SKA1
MIDz<0.75,000~ 107

SKA2z<230,000~ 109

SKA1MIDz<330,000--

SKA2z<3.730,000--

SKA1MIDz<630,000~ 108

SKA2z<630,000~ 109

z<215,000~ 108Δν/ν = 0.3 @ 0.8-1.7[GHz]Δθ = 1 [arcsec]

S = 1 [μJy]tint = 104 [hour]

SKA-JP「宇宙論」科学検討班
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 （東京大）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）
田代吉川耕司 （筑波大）
浅羽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」

SKA-JP宇宙論班が狙うサイエンス
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

B09a
大山さん: 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

3. 理論予言 ： 「精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー」

SKA-JP宇宙論班が狙うサイエンス
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

B09a
大山さん: 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

3. 理論予言 ： 「精緻な理論模型構築と暗黒エネルギー」