2022 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring dark matter with Subaru spectroscopic observations
| Project Area | What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter |
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| Project/Area Number |
20H05855
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高田 昌広 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (40374889)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 直之 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任准教授 (20450182)
石垣 美歩 国立天文台, ハワイ観測所, 助教 (30583611)
砂山 朋美 名古屋大学, 理学研究科, 学振特別研究員(PD) (30794010)
高橋 龍一 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (60413960)
岡本 桜子 国立天文台, ハワイ観測所, 助教 (80823377)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | ダークマター / アクシオン / 原始ブラックホール / 矮小銀河 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙論的N体シミュレーションの大規模データベースと機械学習を組み合わせ、本研究グループ独自に開発したエミュレータ「Dark Emulator」を理論モデルに用い、すばるデータおよびSDSSデータの物理解析を行った。このDark Emulatorは、インプットした宇宙モデルに対して、宇宙論統計量を高速かつ正確に計算するソフトウェアであり、スパコンでも数日はかかるN体シミュレーションと同等精度の宇宙論統計量を1秒以内で計算できる。つまり約100万倍の計算速度の短縮に成功した画期的な手法である。実際の観測データとこのエミュレータを比較して、宇宙の標準模型の物理パラメータをこれまでにない精度で測定することにした (Miyatake et al. 2022; Kobayashi et al. 2022)。これは世界初の試みであり、大きな成果と言える。また、ダークマターの研究についても、アンドロメダ銀河のすばるデータから重力マイクロレンズ効果を探査し、ダークマターの候補の一つであるアクシオンが形成する可能性があるアクシオン星（axion star）による重力マイクロレンズ効果を探査し、アクシオン質量とアクシオン-光子相互作用強度に制限を得た。実験室系のアクシオンパラメータとは相補的な制限になっており、有意義な制限になっている。
すばるPrime Focus Spectrographの開発研究については、プリンストン大学、ジョンズホプキンス大学、国立天文台の研究者との共同研究で、分光器の高精度較正システムのための望遠鏡主焦点装置の予備用電子ボックスを製作した。2022年度中には、試験観測データを取得することができ、装置の特性の評価、改良を進めることができた。PFSのサーベイ・サイエンス設計についてもコロナ禍後初めて対面の共同研究会議を開催することができ、有意義な議論を持つことができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
開発中のすばる超広視野多天体分光器Prime Focus Spectrograph (PFS) を念頭に、ダークマターの探査、ニュートリノ質量の制限を目指した手法の開発を行っている。機械学習も組み合わせ、SDSSの実際のデータの物理解析を行い、宇宙論パラメータを精密に測定できた。これはPFS宇宙論の準備研究になる。また、ダークマターの候補であるアクシオンが形成する可能性があるアクシオン星の存在量を制限することができ、その制限が実験室系のアクシオン探査（QCDアクシオン探査など）とは相補的になることを示した。
装置開発の研究でも、プリンストン大学、ジョンズホプキンス大学、台湾の中央研究院天文及天文物理研究所の研究者と協力して、分光器の高精度較正システムの開発を進めることができた。試験観測データにも用い、開発は順調に進んでいる。専任の博士研究員も雇用し、効率的に研究を進めることができている。
以上の理由で、コロナ禍の影響はあったものの、本研究は概ね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度に取得できるすばる望遠鏡PFSの試験観測データを用い、引き続き高精度構成システムの開発、性能評価、また改良の研究を進める。2024年から計画している、矮小銀河の分光データからダークマターの兆候を探る手法を開発する。また、PFSサーベイから得られる宇宙論統計量からニュートリノの質量を測定する手法を開発する。コロナ禍も収束に向かいつつあるので、2023年度以降は対面の共同研究会議を開催し、喫緊の課題、問題を密に議論する場を設ける。
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[Journal Article] The three-year shear catalog of the Subaru Hyper Suprime-Cam SSP Survey2022
Author(s)
Li Xiangchong、Miyatake Hironao、Luo Wentao、More Surhud、Oguri Masamune、Hamana Takashi、Mandelbaum Rachel、Shirasaki Masato、Takada Masahiro、Armstrong Robert、Kannawadi Arun、Takita Satoshi、Miyazaki Satoshi、Nishizawa Atsushi J、Plazas Malagon Andres A、Strauss Michael A、Tanaka Masayuki、Yoshida Naoki
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Journal Title
Publications of the Astronomical Society of Japan
Volume: 74
Pages: 421～459
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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