精密宇宙論研究に向けた３＋１次元重力レンズ光伝搬数値実験技法の開発

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26400285
• 研究機関: 国立天文台
• 研究代表者: 浜名 崇 国立天文台, 理論研究部, 助教 (70399301)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 観測的宇宙論

研究実績の概要

本年度は全天重力レンズシミュレーションデータベースの作成を重点的に行った。
平成２６年度より、すばる望遠鏡の主焦点カメラ「ハイパーシュープリームカム」を用いたハイパーシュープリームカムサーベイが開始され、その初期データが利用可能となった。私を含めた国内外の研究者によってそのデータを用いた宇宙論研究が進められるにともない、観測量の精密理論モデルやサンプルバリアンス共分散行列などを求めるための疑似サーベイデータの作成が緊急の課題となった。そのために、これまでに開発した全天重力レンズシミュレーションプログラムを利用して、全天重力レンズシミュレーションデータベースを作成する事とした。データベース作成のために、国立天文台のスーパーコンピューター資源を用いて、大規模多体重力シミュレーションを多数実行し、そこで作成された奥行き１００億光年以上にもおよぶ体積中における物質分布中を光を伝搬させ、重力レンズ効果を計算する計算を行った。多数の計算を行い４８もの疑似全天重力レンズデータベースを作成した。このデータベースの総面積はハイパーシュープリームカムサーベイの最終的な観測領域面積である１、４００平方度の千倍以上と、精密理論モデルの作成や観測量のサンプルバリアンス共分散行列の評価の他にも様々な応用に使えるものである。
実際、本年度において出版されたハイパーシュープリームカムの試験観測データを用いた重力レンズによる銀河団探査に関する論文において、理論的に予想される銀河団検出数を評価するために疑似全天重力レンズデータベースが利用された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は、昨年度に続き、新規重力レンズray-tracing技法の開発と実装およびテストを行う予定であったが、全天重力レンズシミュレーションデータベースの作成が緊急の課題として浮上したので、国内外における重力レンズを応用した研究の競合状況を考慮し、そちらに優先的に労力を割く事となった。
全天重力レンズシミュレーションデータベース作成にはこれまでに開発済みのプログラムを用いる事とした。シミュレーション計算は国立天文台のスーパーコンピューター資源を用いて行った。データベース作成の過程において、空間分解能の異なる大規模多体重力シミュレーションを実行し、そこで作成された宇宙論的体積内の物質分布中を光を伝搬させ、全天重力レンズデータを作成した。このデータベースを用いて、シミュレーション計算の精度検査を行った。大規模多体重力シミュレーションの空間分解能の影響が最終的な重力レンズデータにいかなる影響を及ぼすかについては、解析的におおまかな評価を行う事は可能であるが、実際的な評価のためには数値実験が必要である。結果として重力レンズデータに期待されていた精度が達成されている事が確認出来た。
開発途中のシミュレーションプログラムを用いてデータベースを作成するのは予定外ではあったが、シミュレーションの精度確認ができ、また科学的に有意義な疑似重力レンズデータが作成され複数の研究者によって宇宙論研究に利用されているので、結果的に科学的な成果をあげる事が出来た。

今後の研究の推進方策

引き続き新規ray-tracing技法の開発、およびその実装とテストを行う。本年度に行った、全天重力レンズシミュレーション計算の精度テストにおいて、重力レンズ効果のうち光路の曲がりと、光束断面の変化については予定している精度を達成している事が確認されたので、ザックスウォルフ効果による光のエネルギー変化について技法の開発と実装を行う。主要な技術開発課題は光の軌跡に沿って３次元重力ポテンシャルとその空間微分を計算する事である。これは多体重力シミュレーション計算中に計算される重力ポテンシャルを適時出力する、あるいは多体重力シミュレーション計算と同時に光伝搬計算を行う事で実現する計画である。
平成２６年よりハイパーシュープリームカムサーベイが開始され、観測データが積み上がってきており、それによる観測的宇宙論研究も国外の類似サーベイとの競合もあり緊急の課題となっている。本年度と同様、新規シミュレーション技法の開発と観測データを持ちいた研究とのバランスをとり、必要な場合はサーベイ用のデータベース作成とその解析に優先的に取り組むこととする。

次年度使用額が生じた理由

計画していた研究打ち合わせのための外国旅費が相手側との日程が折り合わず実現しなかったので次年度に繰り越しとなった。

次年度使用額の使用計画

本年度計画していた研究打ち合わせのための外国旅費に充てる。

研究成果

• [雑誌論文] Probing cosmology with weak lensing selected clusters. II. Dark energy and f(R) gravity models (2016)
  • 著者名/発表者名: Shirasaki, M., Hamana, T., Yoshida, N.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 68 ページ: 4 (1-14)
  • DOI: 10.1093/pasj/psv105
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cosmological constraints from Subaru weak lensing cluster counts (2015)
  • 著者名/発表者名: Hamana, T., Sakurai, J., Koike, M., Miller, L.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 67 ページ: 34 (1-16)
  • DOI: 10.1093/pasj/psv034
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Properties of Weak Lensing Clusters Detected on Hyper Suprime-Cam's 2.3 deg^2 field (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, S., Oguri, M., Hamana, T., Tanaka, M., Miller, L., Utsumi, Y., Komiyama, Y., Furusawa, H., Sakurai, J., Kawanomoto, S., Nakata, F., Uraguchi, F., Koike, M., Tomono, D., Lupton, R., Gunn, J. E., Karoji, H., Aihara, H., Murayama, H., Takada, M.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 807 ページ: 22 (14PP)
  • DOI: 10.1088/0004-637X/807/1/22
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Probing cosmology with weak lensing selected clusters - I. Halo approach and all-sky simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: Shirasaki, M., Hamana, T., Yoshida, N.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 453 ページ: 3043-3067
  • DOI: 10.1093/mnras/stv1854
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Cosmological constraints from Subaru weak lensing cluster counts (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hamana
  • 学会等名: Theoretical and Observational Progress on the Large-scale Structure of the Universe
  • 発表場所: Headquarters of the European Southern Observatory （ミュンヘン・ドイツ）
  • 年月日: 2015-07-20 – 2015-07-24
  • 国際学会
• [備考] GRayTrix
  • URL: http://th.nao.ac.jp/MEMBER/hamanatk/GRayTrix/index.html