2021 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring dark matter, dark energy and stochastic gravitational wave with Subaru precision cosmology
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19H00677
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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) |
宮武 広直 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (20784937)
西道 啓博 京都大学, 基礎物理学研究所, 特定准教授 (60795417)
正木 彰伍 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (80826280)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ダークマター / ダークエネルギー / 背景重力波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
すばる望遠鏡の広天域銀河サーベイは、日本が主導して行う初めての宇宙論サーベイである。このすばる宇宙論データから、ダークマター、ダークエネルギー、ニュートリノの質量、また背景重力波などの物理を究明することが本研究の目的である。本研究課題期間中には、(1)大規模数値宇宙論データをデータベース化し、宇宙の構造形成の宇宙論観測量を高速かつ高精度で計算できるエミュレータを開発する。(2)すばるデータの宇宙論観測量から上述の物理量をロバストに測定するための物理解析手法を開発する。このとき、素粒子実験の分野では浸透している、ブラインド解析の手法を宇宙論解析に導入する。
2021年度の主な成果は以下のものである。(1) 2020年度に開発した、宇宙の構造形成の大規模数値シミュレーションのデータと機械学習を組み合わせ開発した「エミュレータ」（宇宙論観測量を高速、高精度で計算するコード）とSDSS銀河サーベイの宇宙論観測量を比較し、宇宙論パラメータを測定した。特に、σ8パラメータ（現在の宇宙の凸凹を記述するパラメータ）を先行研究と比較して最高精度で測定した（Kobayashi et al. 2022)。(2) プリンストン高等研究所の研究グループとの共同研究で、広天域銀河サーベイの宇宙論統計量との比較のための理論模型を構築した（Ivanov et al. 2022a,b)。この方法は、構造形成のより非線形領域の情報を引き出すことができ、銀河サーベイの模擬カタログを用い、注意深くその妥当性を調べた。(3) 原始重力波を起源とし得る、原始ゆらぎの非等方な非ガウス性の測定・制限を目的とし、銀河形状の固有相関を測定するための手法を新たに開発した。この論文は投稿中であり、間もなく受理されると予定である。
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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
宇宙の構造形成の数値シミュレーションの大規模データと機械学習（ニューラルネットワーク）を組み合わせ、広天域銀河サーベイの宇宙論観測量を高速かつ高精度に計算できるコード（エミュレータ）を開発し、実際のHSC, SDSS銀河サーベイのデータと比較し、宇宙論パラメータを測定する物理解析を行った。この方法は、宇宙論模型を変化させながら、数値シミュレーションを走らせ、その結果と観測データを比較し、観測データを最も再現する宇宙模型を探す手法と同等である。一つの宇宙模型の数値シミュレーションはスーパーコンピュータを使っても数日かかるので、本研究のエミュレータなしには実現不可能な研究成果である。この試みは世界初であり、業界で注目されている。また、銀河模擬カタログを用いることにより、手法の妥当性を注意深く調べ、ロバストな手法を開発できた。実際に、SDSS銀河サーベイと比較した結果では、プリンストン大学、カリフォルニア・バークリー大学のグループが用いた従来の方法の結果よりも、宇宙論パラメータをより高精度（小さい統計誤差）で測定することに成功した（Kobayashi et al. 2022)。さらに、背景重力波、原始密度ゆらぎの非等方的な非ガウス性を測定（あるいは制限）するための手法を開発できた。この研究では、銀河サーベイのサーベイ領域の形状（天球、赤方偏移の幅）、また視線方向毎に観測できるフーリエモードが変化する効果を正しく考慮した手法を定式化できた。このような研究は業界で初めてであり、完全にゼロから測定手法を定式化する必要があったが、大学院生の独創的な着想力もあり、研究が実現した（Kurita & Takada 2022, submitted to PRD)。これにより、銀河形状の相関関数を測定することが可能になり、SDSS銀河サーベイデータからの測定の研究を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の宇宙論統計量のエミュレータは業界初の試みであり、様々な可能性がある。このエミュレータと観測データ（HSC、SDSS）との比較から得られた宇宙論模型の結果は、宇宙背景放射衛星Planckが示唆する宇宙論模型とは矛盾を示し、標準模型ΛCDMの綻び、すなわち新しい物理の可能性があり、大発見に繋がる可能性がある。2022年度の研究計画は、エミュレータとSDSSデータの比較、またPlanck衛星のデータと組み合わせた物理解析を行うことにより、標準模型を超えた物理の探査を行う。例えば、ダークエネルギーの状態方程式パラメータを測定し、ダークエネルギーが宇宙項かどうかを注意深く調べる。また、すばるHSCデータについても、現時点で使用可能な最大データであるHSC Year3 のデータを用い、エミュレータと観測の比較から、宇宙論パラメータを測定する。SDSSの宇宙論、HSCの宇宙論は独立であり、それらが示唆する宇宙模型に矛盾があるかないかを調べるのは非常に面白い。さらに、ダークエネルギーの状態方程式、ニュートリノの質量など、標準模型を超えた物理の探査も行う。将来的にはPlanck, HSC, SDSSのデータを組み合わせた統合物理解析を行う。
銀河形状の相関関数の研究では、2021年度中に開発した手法でSDSSデータから銀河形状のパワースペクトルを測定し、原始ゆらぎの非等方的な原始非ガウス性の信号を測定、あるいは未検出であれば上限を得ることを目的とした研究を進める。この研究は世界で初めてであり、銀河サーベイを用いた非等方的な原始非ガウス性の初めての観測的研究になる。さらに、通常の銀河分布の宇宙論統計量と銀河形状の統計量を組み合わせた統合物理解析も目指す。例えば、改善された宇宙論距離の測定からハッブル定数の不一致問題に新しい知見が得られるかもしれない。
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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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