2017 Fiscal Year Research-status Report
計算統計に立脚した宇宙論解析のための理論的基盤の開発
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17K14273
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
西道 啓博 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (60795417)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 宇宙大規模構造 / 宇宙論パラメタ / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
銀河の大域的空間分布や弱重力レンズ効果を通じて、これまでにない規模で宇宙大規模構造を測定しようという観測計画が多数計画され、実際に実現しつつある。そのような観測データから宇宙の基本的な枠組みを決める少数の宇宙論パラメタを決定するためには、観測との比較に耐えられるレベルで高精度な理論テンプレートが必要である。
本研究課題の初年度は、宇宙の密度揺らぎの統計的性質の大部分を記述するパワースペクトルを、摂動計算と数値シミュレーションを組み合わせたハイブリッド法を用いて理論的に予言する新しい手法の開発に着手した。宇宙の初期条件を僅かに変化させた時、観測されるパワースペクトルがどのように応答するかを定量化した「宇宙論的応答関数」は、このハイブリッド法の要となるものであるため、1400試行もの数値シミュレーションを実行する事でこれを初めて精密に決定した。これを用いて、特定の宇宙論パラメタセットに対して行ったシミュレーションの結果を、別の任意の宇宙論パラメタに焼き直す手法を実装し、ハイブリッド計算を実現した。このコードはpythonのパッケージとして一般公開した。開発した手法は、宇宙の膨張則の制限に有効と目されるバリオン音響振動のスケールにおいて、近年の観測データから導かれた尤もらしいパラメタ空間内で常に誤差１％以内でパワースペクトルの理論予言が可能であり、これまでの手法と比べて概ね２倍の波数領域をこの精度でカバーできることを数値的に実証した。
この計算のために構築したシミュレーションデータベース及びデータ解析コードは、上記のバリオン音響振動の効果を最適に引き出す方法の開発や、初期宇宙における揺らぎの生成機構を探る上で重要な原始揺らぎのガウス性を銀河カウントの分布関数から制限する方法の検証など、複数の別の研究プロジェクトへと繋がり、思わぬところで波及効果があった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度は、本研究における最重要課題である摂動理論とシミュレーションとのハイブリッド計算法の開発を行い、その初期結果として宇宙論的揺らぎのパワースペクトルの精密予言の実現に至った。以後の研究計画はこの手法の上に成り立つものであるため、研究計画全体においても重要な到達点に達することができたと言える。
さらに、初年度に開発したシミュレーションデータベース及び統計解析ツールを用いることで、関連する別の複数の研究成果を得ることができた。数値シミュレーションに基づいた宇宙の揺らぎの精密予言というより広い観点から見ても、本研究課題の取り組みの有効性が実証されたものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に開発した計算手法は、宇宙論的揺らぎの実空間での統計的性質を予言するものである。一方で、銀河の赤方偏移サーベイから明らかになる宇宙大規模構造は、銀河の特異速度に起因する分布の見かけ上の非等方性（赤方偏移歪み）や、見えない暗黒物質が作る密度場と光を放つ銀河の分布の違い（銀河バイアス）が現れるため、その統計的性質は初年度の方法が予言するものとは違ったものとなる。二年度目以降は、これらの観測的効果を理論モデルに一つずつ取り入れ、より観測に近い予言を与えることが目標となる。二年度目は特に銀河バイアスの理論的取り扱いについて重点的に研究を行う。重力による構造進化を追った数値シミュレーションからは直接銀河分布を得ることはできないが、多数の銀河が形成される高密度領域である、暗黒物質ハローを精度よく同定することができる。そこで、それらの持つ統計的性質が宇宙の初期条件とどう関係しているのか、宇宙論的応答関数の考え方を用いて調査する。次いで、暗黒物質ハローの質量に応じて銀河を散布した時、銀河の分布にどのように応答が波及するか議論する。進捗に応じて、これらの持つ特異速度場の統計的性質を調査し、最終的には観測と直接比較することが可能な理論テンプレートの完成を目指す。
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| Causes of Carryover |
当初は初年度に大規模なシミュレーションの実行及びデータ保存のためのワークステーションの購入を予定していた。しかし、国立天文台が運営する共同利用計算機において、予想以上に大規模な計算資源及び大容量のファイルサーバの利用が認められたため、計画に必要なシミュレーションの大半はそちらで実行・保存することができた。来年度はより大規模なデータが蓄積することが見込まれる。それらを効率よく処理して研究成果へと結びつけるために、繰り越し金額相当のハードディスクを新たに購入する予定である。
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