Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: High Density Galaxy Clustering in the Regime of Cosmic Acceleration
通过理论和模拟，对成像和光谱样本的联合研究为全面测试红移z<1.5的宇宙学模型提供了可能。在这些红移的光谱星系样本可以增加超过计划的暗能量光谱仪器（DESI）计划至少一个数量级，从而为这些联合研究提供更多的约束力。在2020年代后半期及以后对这些星系的光谱观测将利用这一领域的理论和模拟工作。反过来，这些高密度观测将允许增强对暗能量的测试，超越标准模型的物理学，以及中微子质量将大大超过目前可能的。在这里，我们提出了一个协调的程序的模拟，理论建模，和未来的光谱学，使精确的宇宙学研究在加速时代的暗能量的影响是最明显的。
2022-03-14 astro-ph.CO hep-ex
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Probing dark matter with small-scale astrophysical observations
目前对暗物质的理解主要来自于对宇宙中总物质含量的测量，来自于引力物质在非常大尺度上的分布，以及来自于次星系尺度上的旋转曲线和速度色散。然而，小尺度结构很可能是解开宇宙中仍然神秘的85%物质的粒子物理学的关键。利用下一代引力波探测器和先进的天体测量仪器提供的大量高精度测量数据，将有可能对新粒子和暗物质进行新型小尺度天体物理探测。宇宙微波背景和大尺度结构调查将提供互补的限制暗物质模型与独特的小尺度签名。我们列出了小尺度结构和致密物体作为暗物质探测器的研究，并总结了实现目标的要求。
2022-07-14 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmology and Fundamental Physics from the three-dimensional Large Scale Structure
实验技术的进步使得在不久的将来以高保真度绘制高红移宇宙的三维图成为可能。这将使观测到的体积增加许多倍，同时提供前所未有的对非常大尺度的访问，这些尺度包含有关原始物理学的关键信息。最近发展的理论技术，以及在高红移的非线性的较小尺寸，允许重建的数量级更多的“原始模式”，并应提高我们的理解，通过测量原始的非高斯性和功能的原始功率谱的早期宇宙。除了探测加速膨胀的第一个时期外，这种测量还可以探测暗物质统治时代的暗能量密度，严格限制了广泛的动态暗能量模型。物质功率谱的形状本身就有可能探测到早期暗能量到$z \sim 10^5$的百分之几的分数，探测暗能量一直到宇宙只有几岁的时候。这些测量的精度，再加上CMB的观测，也有希望大大改善我们对相对论性物质的有效数量、中微子质量、空间曲率和引力滑移的限制。线性或准线性大尺度结构的研究与红移调查和CMB目前提供了我们最严格的宇宙学和基础物理的约束。推进红移和体积前沿将以一种易于预测和优化的方式提供有保证的、最先进的重大改进。
2022-09-09 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: 21cm Radiation as a Probe of Physics Across Cosmic Ages
21厘米线指的是中性氢的禁戒跃迁，与质子和电子的自旋对齐有关。这是一种非常低的能量跃迁，每当宇宙中有中性氢时就会发射。由于重子大部分（约75%）是氢，原则上可以在宇宙历史的大部分时间内检测到这种发射。在不同的宇宙年代，主要的发射机制是不同的。在光子与物质分离之前，氢处于电离状态，在21厘米内不会发射。在复合后的黑暗时代，在z ~ 30-1000处，21 cm的发射与中性氢介质中的密度波动有关。在第一批恒星开启和星系开始形成之后，21厘米的发射跟踪中性介质海洋中的电离氢气泡。这个时期，跨越z ~ 6-30，通常被称为宇宙黎明和再电离时期（EoR）。当红移低于z<6时，星系际介质大部分是电离的，但在致密的星系环境中会形成自屏蔽的中性气体口袋，21厘米辐射追踪星系的分布。巨大不同的发射机制使我们能够在不同的红移下探测非常不同的物理，对应于不同的观测频率。然而，仪器方面的挑战，即建造非常灵敏和精确校准的射电望远镜，在各个频段上有许多共同点。21厘米探测器的潜力已经被天文学和天体物理学十年调查所认可，其宇宙学小组将黑暗时代确定为其唯一的发现区域。我们认为，HEP应该认识到21厘米作为基础物理学在多个轴上的探测器的潜力，并投资于技术开发，以充分利用这一丰富的技术。
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Rubin Observatory after LSST
维拉C。鲁宾天文台将于2024年开始进行时空遗产巡天（LSST），横跨18，000平方度的六个波段，在十年内对每个领域进行800多次观测。这一前所未有的数据集将使暗宇宙结构形成和演化的研究以及暗宇宙物理学的探索取得巨大进展。这些观测将为宇宙加速膨胀的原因提供线索，并可能为暗物质的性质提供线索。在接下来的十年里，LSST将能够确认或质疑今天在宇宙学数据中看到的紧张局势是否是由于新物理学。新的和意想不到的现象可能会证实或破坏我们目前对宇宙的理解。LSST的结果将指导LSST后的前进道路。即使到那时，鲁宾天文台仍然是一个独特的强大设施，能够揭示对暗宇宙物理学的进一步见解。这些可以通过创新的观测策略获得，例如，以比LSST更短的时间尺度靶向新探针，或通过适度的仪器变化，例如，新的过滤器，或通过一个全新的仪器的焦平面。本白皮书重点介绍了鲁宾在LSST之后观察到的每个场景中的一些机会。
2022-03-14 astro-ph.CO hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Ultraheavy particle dark matter
本文概述了质量介于10 TeV至普朗克尺度的超重暗物质候选粒子的搜索机遇与挑战，强调现有及新探测技术在未来十年内的贡献，并呼吁发展新分析方法和超高灵敏度探测器技术。
2023-04-27 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Snowmass2021 Theory Frontier White Paper: Data-Driven Cosmology
在过去的几十年里，天文学和宇宙学的数据集通过为暗物质、暗能量和非零中微子质量的存在提供强有力的证据，坚定地建立了粒子物理学标准模型之外的物理学的存在。此外，原始扰动的产生很可能也依赖于粒子物理学的标准模型之外的物理学。理论工作，从导致新的现象学预言的弦论早期宇宙模型，到有效场论的发展，再到包括星系演化物理学在内的大尺度宇宙学模拟，在分析和解释这些数据集以及提出新的前进道路以分离这种新物理学的起源方面发挥了关键作用。在接下来的十年里，甚至更敏感的调查也开始收集数据，并正在计划中。在本白皮书中，我们描述了从这些新的观测机会中优化物理学投资回报所需的理论计划的关键领域。
2022-03-15 astro-ph.CO
Snowmass2021 Computational Frontier White Paper: Cosmological Simulations and Modeling
未来十年，将有强大的新观测设施投入使用，从而在“宇宙前沿”中提供许多发现机会，其目标是了解早期宇宙的物理学、暗物质和暗能量，以及中微子质量和爱因斯坦引力修正等基础物理学的宇宙学探测。将利用不同实验之间的协同作用来提出新的宇宙探测器类别，并尽量减少个别调查中存在的系统性偏差。这一观测计划的成功需要积极地将其与最先进的模拟和建模工作相匹配。下一代宇宙学建模将越来越多地关注物理丰富的模拟，能够模拟跨越多个波段的天空调查的输出。这些模拟将具有前所未有的分辨率和体积覆盖范围，并且必须为单个调查以及不同调查之间的互相关提供有保证的高保真结果。所需的进展如下：（1）开发科学上丰富和广泛的模拟，捕获探测器之间的相关物理和相关性（2）将模拟结果准确转换为逼真的图像或光谱数据，以直接与观察结果进行比较（3）改进模拟器和/或数据驱动方法，作为昂贵模拟的替代品，从有限的一组全物理模拟中构建（4）模拟和分析工具的详细和透明的验证和确认程序。（节录）
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Dark Matter Physics from Halo Measurements
本文综述如何利用暗物质晕的丰度、密度分布、椭率和自旋等宏观观测约束微观暗物质粒子性质，并总结相关理论、实验方法与新机遇。
2023-04-25 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier: Cosmic Microwave Background Measurements White Paper
这是一个征求白皮书的斯诺马斯2021年社区规划工作。本文着重于宇宙微波背景（CMB）的测量和科学。CMB是我们理解现代物理学的基础，并且仍然是推动我们理解宇宙学和粒子物理学的强大工具。在本文中，我们概述了未来十年CMB科学对高能宇宙前沿的广泛而独特的影响。我们还描述了地面CMB实验的进展，这表明，社会准备开发实现这些变革性的CMB测量所需的关键能力和设施。
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmological Simulations for Dark Matter Physics
在过去的几十年里，意想不到的天文发现一直在推动新一轮的粒子模型构建，并激发下一代更复杂的模拟来揭示暗物质（DM）的本质。这与新的观测设施的出现相吻合，包括JWST，鲁宾天文台，南希格雷斯罗马太空望远镜和CMB-S4。现在是建立一个新的模拟程序来解释观测结果的时候了，这样我们就可以在一个大的动态范围的长度尺度和宇宙时间内识别DM微观物理学的新特征。本白皮书确定了此类模拟程序所需的关键要素。我们确定了粒子理论方面以及模拟算法和实现方面的增长领域，以便我们能够稳健地模拟DM的宇宙演化，以获得动机良好的模型。我们建议，模拟包括一个完全校准和良好的重子物理测试的治疗，并输出应连接到观测空间中的观测。我们确定了目前可用于预测的工具和方法，以及构建更多这些工具的前进道路。一个强大的宇宙DM模拟程序的关键是翻译宇宙学观测DM基础物理的强大约束，并提供了一个连接到DM物理实验室为基础的探头。
2022-03-21 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Enabling Flagship Dark Energy Experiments to Reach their Full Potential
新一代强大的暗能量实验将在未来十年为宇宙学开辟新的前景。然而，如果没有来自其他望远镜的数据，这些项目就无法发挥最大的潜力。本白皮书特别关注地面光谱和光度观测的引人注目的好处，以补充Vera C。鲁宾天文台，以及帮助DESI-2实验和CMB-S4的小型计划。这些额外的数据集将改善这些旗舰项目的暗能量限制，使其超出其本身的可能性，并为基础物理学打开全新的窗口。例如，额外的光度学和单物体光谱学将为超新星和强透镜宇宙学提供必要的后续信息，而来自宽视场的小型设施和来自天空较窄区域的大型设施的高度多路复用光谱学将为鲁宾天文台的弱透镜和星系集群测量提供更准确的光度红移估计。为超新星哈勃图提供关键的光谱宿主星系红移，提供对限制天体物理系统效应的更好理解，并使探索引力性质的新测量成为可能。一个共同的线索是，从一系列望远镜/仪器获得补充数据将对未来几年暗能量科学的发展速度产生重大影响。
2022-04-05 astro-ph.CO hep-ex
ESO-Athena Synergy White Paper
高能天体物理学高级望远镜（雅典娜）是欧空局在其2015-2025年宇宙愿景方案中选择的X射线观测任务，以解决热和高能宇宙科学主题。欧洲南方天文台-雅典娜协同小组（EAST）的任务是找出雅典娜与光学/近红外（NIR）和亚/毫米地面设施之间的潜在科学协同作用，特别是欧洲南方天文台的设施（即，VLT和ELT，ALMA和APEX），通过编写白皮书来确定和发展：1.需要使用欧洲南方天文台的地面设施，以实现制定的雅典娜科学目标; 2.需要访问Athena，以实现与Athena同时代的ESO设施制定的科学目标; 3. 2020年代末Athena和ESO设施的协同使用将带来科学附加值的科学领域。社区对这一过程的投入主要是通过一个专门的ESO -雅典娜协同研讨会发生的，该研讨会于9月9日举行14 - 16，2016在ESO，Garching.本白皮书介绍了EAST的工作成果，按协同领域分类，并涉及以下主题：1.热宇宙：早期的星系团和星系团及其演化，星系团内介质的物理学，宇宙细丝中缺失的重子; 2。充满活力的宇宙：超大质量黑洞的历史，超大质量黑洞吸积盘，活动星系核反馈-分子外流，超快外流，吸积物理，瞬态科学; 3.天文台科学：恒星形成，恒星。然后，它讨论了光学近红外亚毫米的前景，提供详细的VLT/MOONS，E-ELT仪器，特别是MOS，VISTA/4 MOST，ESO和ALMA档案，未来的ALMA和…
2017-05-17 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
ESA Voyage 2050 white paper -- Faint objects in motion: the new frontier of high precision astrometry
巡天望远镜和强大的目标望远镜在天文学中发挥着互补的作用。为了研究极暗天体运动的性质和特征，一种具有高天体测量精度的灵活指向的仪器是对目前天体测量的理想补充，也是精确天体物理学的一种独特工具。这样一个基于太空的任务将推动精确天体测量的前沿，从最近的恒星周围的地球可居住世界的证据，到遥远的银河系物体到本星系群。随着我们进入詹姆斯·韦伯太空望远镜和新的地面自适应光学巨型望远镜的时代，通过获得盖亚无法到达的关键物体的高精度测量，一项专注于高精度天体测量科学的任务可以巩固我们对局部宇宙的理论理解，使物理过程外推到遥远的红移，并得出一个更加一致的宇宙进化和我们宇宙可能的命运的图片。已经提出了几个任务，以解决使用高精度天体测量欧空局任务的运动中的微弱物体的科学情况：NEAT为M3，micro-NEAT为S1任务，Theia为M4和M5。可以设想采用技术创新的其他新的飞行任务配置，以精确测量这些极小的运动。本白皮书的目标是解决当我们专注于微弱天体的运动时所面临的基本科学问题，并简要回顾仪器和任务概况。
2019-10-12 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.GA
Ad Astra White Paper: A Pitch for the Next 25 Years of NASA's Physics of the Cosmos Program
Louisiana State University（路易斯安那州立大学）；Instituto de Física Corpuscular (IFIC), CSIC-Universitat de València（瓦伦西亚大学与西班牙国家研究委员会联合粒子物理研究所）；University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）
该报告梳理了美国宇宙物理学领域25年的研究进展，明确了支撑未来研究的关键天基设施，为NASA筹备2030年天文十年调查提供了指导。
2026-09-01 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.IM
Exploring the Dark Frontier: White Dwarf-Based Constraints on Light Dark Matter
本研究利用四颗脉动白矮星的周期变化率分析，对轻暗物质与电子的相互作用施加了超越现有直接探测实验十五个数量级的新约束，证明了白矮星作为探测暗物质天体物理实验室的潜力。
2024-06-05 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Prospects for obtaining Dark Matter Constraints with DESI
尽管经过几十年的努力，直接探测实验还没有发现暗物质（DM）粒子。这导致了对Lambda CDM（LCDM）范例的替代方案和替代DM场景（包括模糊DM、暖DM、自交互DM等）的兴趣增加。在许多这样的情况下，DM粒子不能直接检测到，只能通过天体物理观测来限制它们的性质。暗能量光谱仪（DESI）是目前最强大的宽场调查仪器之一。DESI与欧空局的盖亚卫星和未来的观测设施的协同作用将产生前所未有的规模和覆盖范围的数据集，这将使DM在广泛的物理和质量尺度和红移范围内受到限制。DESI将通过探测大约100万个类星体光谱来获得莱曼α森林到z~5的光谱，这将限制低密度星系际气体和DM晕在高红移处的聚集。DESI将获得银河系（MW）和本星系群卫星中1000万颗恒星的径向速度，使我们能够限制它们的全球DM分布，以及较小尺度上的DM分布。宇宙学结构形成的范例已经通过模拟得到了广泛的测试。然而，大多数模拟到目前为止都集中在无碰撞CDM。对清洁发展机制替代品的模拟最近已经开始流行，但仍处于起步阶段。虽然在LCDM框架中有许多公开可用的大盒子和放大模拟，但没有可比较的公开可用的WDM，SIDM，FDM模拟。能源部对公共模拟套件的支持将使社区能够更加团结地将DESI（和其他调查）的观测结果与数值预测进行比较，并将极大地影响DM科学。
2022-07-01 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Illuminating the Physics of Cosmic Origin and Evolution: A UK Space Frontiers 2035 White Paper
BAE Systems（BAE系统公司）；NSF NOIRLab（美国国家光学红外天文研究实验室）；INAF Bologna（意大利国家天体物理研究所博洛尼亚分部）；CEA Saclay（法国原子能及替代能源委员会萨克雷研究中心）
该白皮书提出通过SIRMOS任务探索宇宙膨胀和中微子质量测量，利用先进空间技术推动宇宙学研究。
2026-01-23 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Snowmass White Paper: Effective Field Theories for Dark Matter Phenomenology
对暗物质本质的探索继续推动着粒子物理学、天文学和宇宙学的许多实验和观测前沿。虽然到目前为止还没有明确的信号，但存在一个丰富的实验生态系统，在宇宙历史的不同时期，通过具有不同特征能量尺度的各种过程，为广泛的暗物质模型寻找信号。鉴于众多的候选人和搜索策略，有效场论一直是一个重要的工具参数化之间的可能相互作用的暗物质和标准模型探针，量化和改善模型无关的不确定性，并在存在大扰动校正的检测率的鲁棒估计。本白皮书总结了将暗物质理论与实验联系起来的广泛有效场论应用。
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Revisiting constraints on asymmetric dark matter from collapse in white dwarf stars
白矮星内部的小暗物质团的失控坍缩阶段包含一个可逆阶段，在这个阶段，热量可以在核物质和暗物质之间来回传递。诱导核燃烧阶段是稳定的，早期的碳耗尽破坏了先前Ia型超新星点火的说法。相反，迷你黑洞在恒星中心形成，它们要么蒸发要么吸积恒星物质，直到形成宏观的亚克拉塞卡质量的黑洞。在后一种情况下，在白矮星的潜在磁场喷出时，可以检测到持续0.1到1秒的电磁瞬态信号。双星系统转化为黑洞，随后合并，发射出引力波。先进的LIGO/Virgo每年应该能探测到一个这样的亚克拉塞卡双星黑洞，而未来类似爱因斯坦望远镜的设施每年将探测到数千个。有效的自旋参数分布的峰值为0.2，并允许未来的研究解开从原始的sub-Bracrasekhar黑洞。这样的签名与当前的直接检测约束，以及中子星的玻色子暗物质的情况下的约束是兼容的，即使他们仍然与费米子的情况下的参数空间的一部分冲突。
2022-04-23 astro-ph.CO gr-qc
Astro2020 White Paper: A Direct Measure of Cosmic Acceleration
在发现我们生活在膨胀的宇宙中近一个世纪后，在发现宇宙加速膨胀二十年后，仍然没有通过红移漂移（宇宙膨胀速度与时间的变化）直接检测到这种加速。由于宇宙学红移漂移直接决定了哈勃参数H（z），它可以说是对膨胀历史最干净的测量，并且有可能限制暗能量模型（例如Kim et al. 2015）。挑战在于信号很小-目前最好的观测约束具有比预期信号大几个数量级的不确定性（Darling 2012）。尽管如此，直接探测红移漂移正在变得可行，即将到来的设施，如ESO-ELT和SKA预计可能在20到30年内探测到。考虑到这种宇宙学测试的潜力，这个时间尺度长得令人不安。通过专门的实验，应该有可能快速加速进展，并在只有五年观测基线的情况下检测红移漂移。这样的设施也是精确测量系外行星径向速度的理想选择，可以作为正在进行的实验校准测量的副产品获得。
2019-03-30 astro-ph.CO
