Accounting for Cosmic Variance in Studies of Gravitationally-Lensed High-Redshift Galaxies in the Hubble Frontier Field Clusters
强引力透镜为研究遥远宇宙中的微弱星系提供了强有力的手段。通过放大背景光源的视亮度，大质量星系团能够探测到比通常的空白场灵敏度极限更暗的星系。然而，这种有效灵敏度的增加是以减少调查量为代价的，在这封{ \it Letter}中，我们证明了宇宙方差不确定性的相关增加。作为一个例子，我们表明，宇宙方差的不确定性的高红移人口通过哈勃空间望远镜前线场集群阿贝尔2744增加从约35%的红移z~7到>~65%的z~10。以前的研究中确定的高红移星系的前沿领域低估了宇宙方差的不确定性，这将影响最终约束的高红移光度函数和宇宙恒星形成率密度的暗端斜率，前沿领域计划的关键目标。
2014-10-16 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Snowmass Cosmic Frontier Report
本报告总结了宇宙前沿物理学的现状，以及作为2021年雪团过程一部分的宇宙前沿广阔而令人兴奋的未来前景。
2022-11-18 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.IM
Snowmass2021 Cosmic Frontier CF6 White Paper: Multi-Experiment Probes for Dark Energy -- Transients
这份受邀的Snowmass 2021白皮书强调了天文瞬变联合分析在推进HEP科学方面的力量，并介绍了可以实现当前和即将到来的项目所带来的机会的研究活动。感兴趣的瞬变包括引力波事件、中微子事件、强透镜类星体和超新星，特别是Ia型超新星。这些瞬变可以作为宇宙中宇宙学距离的探测器，也可以作为极强引力、高能物理学的宇宙实验室。联合分析是指需要多个实验或设施进行重要协调的工作，因此包括多信使天文学和光学瞬态发现以及分布式后续计划。
2022-10-04 astro-ph.CO astro-ph.IM 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: Observational Facilities to Study Dark Matter
我们提出了一个概述未来的观测设施，将大大提高我们的理解的基本性质的暗物质。这些设施涵盖一系列观测技术，包括光学/近红外成像和光谱学、宇宙微波背景测量、脉冲星计时、高红移中性氢21厘米观测以及引力波测量。这些设施是揭示暗物质性质的多管齐下的实验计划的关键组成部分，同时经常提供暗能量，中微子物理和膨胀的补充测量。
2022-03-11 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Planning the Future of U.S. Particle Physics (Snowmass 2013): Chapter 4: Cosmic Frontier
这些报告介绍了2013年美国物理学会粒子与场分部（“斯诺马斯2013”）关于美国粒子物理学未来计划的社区夏季研究的结果。第4章，关于宇宙前沿，讨论了与宇宙学和早期宇宙相关的研究计划。这一领域包括对暗物质的研究及其粒子性质的探索，对暗能量和暴胀的研究，以及对基本对称性的宇宙探测。
2014-01-23 astro-ph.CO astro-ph.HE 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
Cosmic Frontier Indirect Dark Matter Detection Working Group Summary
作为Snowmass过程的一部分，宇宙前沿间接探测小组（CF2）借鉴了宇宙前沿和更广泛的粒子物理学社区的投入来制作这份文件。本报告的目的是通过间接探测确定暗物质科学的机会，概述间接搜索暗物质的主要科学驱动因素，并调查当前和计划中的实验，作为其科学计划的一大部分，目标是搜索暗物质的间接（或天体物理）特征。我们主要讨论美国发挥重要作用的现有实验，或寻求美国贡献的未来实验。我们还解决了这种技术的局限性，并回答了HEP社区通过Snowmass过程提出的与该亚组相关的棘手问题。
2013-10-25 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Snowmass 2021 Cosmic Frontier White Paper: Cosmology with Millimeter-Wave Line Intensity Mapping
使用大尺度结构的基础物理学和宇宙学的下一代测试需要对宇宙的大体积进行测量，包括目前调查无法达到的高红移。谱线强度测绘是一种新兴的技术，它可以探测原子和分子谱线的综合发射，而不需要分辨源，可以有效地绘制出大范围红移范围内的宇宙结构。在毫米波的观测探测远红外线发射线，如CO/[CII]，并利用CMB实验开发的观测和分析技术。这些测量可以提供前所未有的精确度的限制，在膨胀，中微子质量，轻相对论性物种，暗能量和修改的引力，和暗物质，以及许多其他科学目标的物理。在本白皮书中，我们预测了未来地基毫米波强度测绘实验的灵敏度要求，以实现变革宇宙学约束。我们概述了一个阶段性的实验计划，以稳步提高灵敏度，并描述了必要的投资，在开发检测器技术和分析技术。
2022-03-14 astro-ph.CO hep-ex
Report of the Topical Group on Cosmic Frontier 5 Dark Energy and Cosmic Acceleration: Cosmic Dawn and Before for Snowmass 2021
本报告总结了Snowmass 2021 CF 5工作组关于暗能量和宇宙加速的设想研究活动：宇宙黎明及之前。科学目标是研究膨胀，并通过精确测量早期宇宙的残余辐射来寻找新的物理学。本十年（2025- 2035年）设想的研究活动是建造和运营主要设施，并开发关键的使能能力。这十年的主要设施是CMB-S4项目，一个新的第五阶段光谱测量设施，以及现有的引力波观测站。使能能力包括调整和投资于理论、计算和模型构建，并投资于未来十年（2035+）早期宇宙研究所需的新技术。
2022-09-17 astro-ph.CO hep-ex
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
Pushing the Energy and Cosmic Frontiers with High-Energy Astrophysical Neutrinos
最近由IceCube中微子望远镜发现的天体物理中微子具有最高的中微子能量--从TeV到PeV --并且旅行距离最长--高达几个Gpc，可观测宇宙的大小。这些特征使它们成为自然吸引人的基本粒子物理性质的探针，可能尺寸很小，在任何其他手段无法达到的能量尺度上。在发现冰立方之前的几十年里，人们看到了许多粒子物理学研究在这个方向上的建议。今天，这些建议已经成为现实，尽管普遍存在天体物理学的未知数。我们展示了在这些尺度上研究基本中微子物理的例子，包括一些超越标准模型的最严格的物理测试。
2019-06-19 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
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: 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
A Multi-messenger view of Cosmic Dawn: Conquering the Final Frontier
宇宙黎明的时代，当第一颗恒星和星系诞生时，被广泛认为是今天观测宇宙学的最后前沿。绘制宇宙黎明和现在之间的时期提供了对宇宙中90%以上的重子（正常）物质的访问，并解锁了比今天的宇宙学调查多几千倍的傅立叶模式信息。本文综述了从宇宙黎明到现在，重子气体观测作为宇宙学大尺度结构示踪剂的进展。我们举例说明如何描述的暗物质晕可以扩展到描述重子气体丰度和集群。这种创新的方法使我们能够充分利用我们目前的天体物理学知识，从未来的观测约束宇宙学参数。结合多信使探测器的信息内容，这也将阐明宇宙黎明的第一个超大质量黑洞的性质。我们提出了一系列迷人的影响约束物理学超越$Λ$ CDM模型，包括测试的理论膨胀和宇宙学原理，非标准暗物质的影响，并可能偏离爱因斯坦的广义相对论的最大尺度。
2022-02-24 astro-ph.CO gr-qc
Snowmass-2013 Cosmic Frontier 3 (CF3) Working Group Summary: Non-WIMP dark matter
CF-3工作组在社区规划研究“斯诺马斯-2013”的报告。
2013-10-31 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 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
First Frontier Field Constraints on the Cosmic Star-Formation Rate Density at z~10 - The Impact of Lensing Shear on Completeness of High-Redshift Galaxy Samples
我们在Abell 2744及其平行场的完整哈勃前沿场数据集中搜索z~10个源，以进一步改进z>8时宇宙恒星形成率密度（SFRD）的演化。我们独立地确认了Zitrin等人（2014）最近发现的triangle成像z~9.8源的两张图像，并为Abell 2744平行场中红色J_125-H_160>1.2的类似z~10星系设定了上限。我们利用大量的模拟来推导在z~10的Lyman-break星系的有效选择体积，无论是在透镜星系团领域和在相邻的平行领域。特别注意的是，包括位置相关的透镜剪切，以准确地考虑高度放大的源的预期大小和形态。我们发现，源混合和剪切减少在集群中，特别是在临界曲线附近的一个给定的观测幅度的完整性。这些效应对星团后面的高红移源的可探测性有着显著的影响，但在很大程度上被忽视了，并且大大减少了预期的高度放大源的数量。来自两个点的检测和限制导致SFRD比来自空白字段的z~10处的先前估计高0.4+-0.4dex。尽管如此，这些新的结果与所有其他的估计相结合，仍然与宇宙学模拟和Lambda CDM中暗物质晕演化所预测的从z~8到z~10的1.7亿年中SFRD的快速下降相一致。一旦考虑到放大依赖的完整性所引入的偏差，完整的六个星系团和并行的前沿场计划将是一个非常强大的新数据集，可以在JWST出现之前探测z>8的星系群的演化。
2015-07-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
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
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
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
Hubble Frontier Fields First Complete Cluster Data: Faint Galaxies at $z\sim 5-10$ for UV Luminosity Functions and Cosmic Reionization
利用哈勃前沿场（HFF）观测到的Abell 2744透镜星系团和平行光场的第一个全深度数据集，对$z\sim10$以下的暗脱落星系进行了综合分析。我们在HFF场的$z\sim5-10$处发现了$54$的缺失，并放大了迄今为止获得的$z\sim9$星系样本的尺寸。虽然高度放大（$μ\sim10$）星系的数量很少，由于强透镜的微小调查体积，我们的研究达到了星系的内禀光度相媲美的深场HUDF研究。我们推导出紫外线光度函数与这些微弱的辍学，仔细评估组合的观测不完整性和透镜效应在图像平面的密集模拟，包括放大，失真，和乘法的图像，与质量模型依赖性的评估。我们的研究结果证实，在$z\sim6-8$的弱端斜率$α$和$-2$一样陡，并加强了在$z>8$的紫外光度密度$ρ_\mathrm{UV}$从大$z\sim9$样品中迅速下降的证据。我们研究快速的$ρ_\mathrm{UV}$减少的趋势是否可以调和与大汤姆逊散射光学深度，$τ_\mathrm{e}$，测量CMB实验允许一个大的空间的自由参数，如平均电离光子逃逸分数和恒星人口依赖的转换因子。任何参数集均无法重现快速$ρ_\mathrm{UV}$降低和大$τ_\mathrm{e}$。可能是$ρ_\mathrm{UV}$降低了$z\gtrsim11$的缓和度，自由参数显著地向高$z$演化，或者存在其他的再电离源，如X射线双星和微弱的活动星系核。
2014-11-11 astro-ph.CO astro-ph.GA
Are Ultra-faint Galaxies at z=6-8 Responsible for Cosmic Reionization ? Combined Constraints from the Hubble Frontier Fields Clusters and Parallels
我们利用哈勃空间望远镜对前沿场的深空成像，在红移范围$z \sim 6-8$内精确测量了星系静止帧紫外光度函数（UV LF）。我们结合三个透镜星系团A2744，MACS 0416，MACS 0717及其相关的平行领域的观察，以选择高红移辍学的候选人。我们使用最新的透镜模型来估计通量放大率和有效的调查体积结合完整性模拟中进行的源平面。我们报告了在$z=6-7$探测到的227个候选星系和在$z \sim 8$探测到的25个候选星系。虽然在每个平行场中的总测量面积约为4弧分$^{2}$，但由于强透镜作用，在星团核心场中的总测量面积下降到约0.6至1弧分$^{2}$。我们计算紫外光度函数在$z \sim 7$使用合并的星系样本，并进行蒙特卡罗模拟，以确定最佳的拟合Schechter参数。我们能够可靠地将LF约束到$M_{UV}=-15.25$的绝对幅度，其对应于0.005 $L^{\star}$。更重要的是，我们发现，弱端斜率仍然陡峭下降到这个幅度限制与$α=-2.04_{-0.17}^{+0.13}$。我们的研究结果证实了最近的结果在深空白领域，但延长LF测量超过两个数量级更深。由于统计数据较少和不完整的不确定性，$z \sim 8$的UV LF在$M_{UV}=-18$以下没有受到很好的限制。为了评估星系对宇宙再电离的贡献，我们通过将UV LF积分到观测约束极限$M_{UV} = -1…
2015-10-09 astro-ph.CO astro-ph.GA
Snowmass2021 Cosmic Frontier White Paper: Enabling Flagship Dark Energy Experiments to Reach their Full Potential
新一代强大的暗能量实验将在未来十年为宇宙学开辟新的前景。然而，如果没有来自其他望远镜的数据，这些项目就无法发挥最大的潜力。本白皮书特别关注地面光谱和光度观测的引人注目的好处，以补充Vera C。鲁宾天文台，以及帮助DESI-2实验和CMB-S4的小型计划。这些额外的数据集将改善这些旗舰项目的暗能量限制，使其超出其本身的可能性，并为基础物理学打开全新的窗口。例如，额外的光度学和单物体光谱学将为超新星和强透镜宇宙学提供必要的后续信息，而来自宽视场的小型设施和来自天空较窄区域的大型设施的高度多路复用光谱学将为鲁宾天文台的弱透镜和星系集群测量提供更准确的光度红移估计。为超新星哈勃图提供关键的光谱宿主星系红移，提供对限制天体物理系统效应的更好理解，并使探索引力性质的新测量成为可能。一个共同的线索是，从一系列望远镜/仪器获得补充数据将对未来几年暗能量科学的发展速度产生重大影响。
2022-04-05 astro-ph.CO hep-ex
Snowmass2021 Cosmic Frontier: Cosmic Microwave Background Measurements White Paper
这是一个征求白皮书的斯诺马斯2021年社区规划工作。本文着重于宇宙微波背景（CMB）的测量和科学。CMB是我们理解现代物理学的基础，并且仍然是推动我们理解宇宙学和粒子物理学的强大工具。在本文中，我们概述了未来十年CMB科学对高能宇宙前沿的广泛而独特的影响。我们还描述了地面CMB实验的进展，这表明，社会准备开发实现这些变革性的CMB测量所需的关键能力和设施。
2022-03-15 astro-ph.CO astro-ph.IM gr-qc
Exploring the Dark Frontier: White Dwarf-Based Constraints on Light Dark Matter
本研究利用四颗脉动白矮星的周期变化率分析，对轻暗物质与电子的相互作用施加了超越现有直接探测实验十五个数量级的新约束，证明了白矮星作为探测暗物质天体物理实验室的潜力。
2024-06-05 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
Roman CCS White Paper: Tracing stellar mass assembly and emerging quiescence at cosmic noon -- the case for deep imaging with all of Roman's wide filters in the HLTDS
本文论证了在 Roman 望远镜 HLTDS 中使用除 F146 外所有宽滤光片进行深度成像的必要性，以推动河外深场科学并改进 SN Ia 宇宙学系统学。
2023-06-29 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Snowmass2021 Cosmic Frontier: Report of the CF04 Topical Group on Dark Energy and Cosmic Acceleration in the Modern Universe
新千年的宇宙学观测极大地增加了我们对宇宙的理解，但一些基本问题仍然没有答案。这份专题小组报告描述了在未来几十年里通过将观测扩展到$z<6$宇宙来解决这些问题的最佳机会。在现代宇宙和暴胀时期，我们对宇宙加速的理解发生革命性变化的最大机会将由一个新的第五阶段光谱设备（Spec-S5）提供，该设备将结合大望远镜孔径，宽视场和高复用。这样的设施可以同时提供较低红移的密集星系样本，以提供小尺度结构增长的可靠测量，以及红移$2<z<5$的样本，以测量最大尺度的宇宙结构，跨越足够的体积来探测膨胀的原始非高斯性，以在广泛的尺度上搜索膨胀功率谱的特征，在探索不足的领域测试暗能量模型，并确定中微子的总质量和光遗迹的有效数量。在Spec-S5的同时，还应该在较小的规模上寻求一些引人注目的机会。分析DESI和LSST数据的科学合作将需要各种活动的资金，包括交叉调查模拟和综合分析。这些实验的结果可以通过更小的程序来获得补充数据，包括对超新星和光谱学的后续研究，以改善光度红移测量。最好的未来使用的维拉C。鲁宾天文台应该在第一次LSST分析完成后，在本世纪末进行评估。最后，对开拓者项目的投资可以使强大的新宇宙学探测器在未来几十年内上线。
2022-09-16 astro-ph.CO astro-ph.IM hep-ex
Gravitational Wave Astrophysics: Opening the New Frontier
宇宙的引力波窗口预计将在5年内打开，届时地面探测器将首次在高频区域进行探测。引力波是由黑洞和中子星等大质量物体的运动产生的时空涟漪。由于宇宙对引力波几乎是透明的，这些信号携带着关于其来源的直接信息--如质量、自旋、光度距离和轨道参数--穿过宇宙时间中密集的、模糊的区域。这篇文章探讨了作为宇宙信使的引力波，强调了关键的来源，检测方法，以及整个引力波频谱的天体物理学回报。
2011-09-15 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Astro2020 Science White Paper: First Stars and Black Holes at Cosmic Dawn with Redshifted 21-cm Observations
“宇宙黎明”指的是宇宙历史上恒星和黑洞首次形成并开始加热和电离星系际介质（IGM）中的氢的时期。虽然直接探测非常困难，但第一批恒星和黑洞可以通过测量宇宙21厘米的背景来间接地限制，这种背景可以追踪星系间氢气的电离状态和温度。在本白皮书中，我们重点介绍了此类观测的科学案例，特别是那些针对红移z $\gtrsim$ 10的观测，因为IGM预计大部分是中性的。21厘米的观测为这个时代提供了一个独特的窗口，因此对未来十年推进第一颗恒星和黑洞科学至关重要。
2019-03-14 astro-ph.CO
Accessing the high-$\ell$ frontier under the Reduced Shear Approximation with $k$-cut Cosmic Shear
第四阶段宇宙剪切巡天的精度将使我们能够探测比以往任何时候都小的物理尺度，然而，重子物理和非线性结构形成的模型不确定性将成为一个重要的问题。$k$切割方法--在进行Bernardeau-Nishimichi-Taruya变换后应用红移相关的$\ell$切割--可以降低对重子物理的敏感性;允许第四阶段的调查包括来自越来越高的$\ell$模式的信息。在这里，我们解决的问题，它是否也可以减轻的影响，使减少剪切近似，这也是很重要的高$κ$，小尺度制度。放松这种近似的标准程序需要反复评估的收敛双谱，因此可以是令人望而却步的计算昂贵时，包括在蒙特卡洛分析。我们发现，当探测到$5000$以下的$\ell$模式时，$k$切割宇宙剪切过程抑制了第四阶段实验中约化剪切近似所预期的$w_0w_a$ CDM宇宙学参数偏差.降低剪切近似值的偏倚低于显著性阈值所需的最大截点为$k = 5.37 \, h{\rm Mpc}^{-1}$。通过该切割，相对于直接计算校正的情况，预测的$1σ$约束对于所有参数增加小于$10\%$。与仅探测高达1500的$\ell$模式并且不使用$k$切割的更保守的情况相比，这表示约束的显著改进。我们也重复这种分析的一个假设的，可比的运动学弱透镜调查。用于此分析的代码的关键部分是公开的。
2020-10-26 astro-ph.CO
Light from the Cosmic Frontier: Gamma-Ray Bursts
伽马射线暴（GRB）是自大爆炸以来最强大的宇宙爆炸，因此在遥远的宇宙中充当路标。在过去的20年里，这些超亮的宇宙学爆炸已经从一个纯粹的好奇心转变为研究高红移恒星和星系，早期结构形成和化学元素演化的重要工具。在未来，伽玛暴可能会提供一个强大的探测宇宙的再电离时代，约束第一代恒星的属性，并发挥重要作用，在多信使天文学的革命，通过关联中微子或引力波（GW）信号与伽玛暴。在这里，我们描述了推进GRB领域所需的下一步，以及GRB研究早期宇宙的潜力及其在即将到来的多信使革命中的作用。
2013-06-21 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.IM
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
Black Hole Genesis and origin of cosmic acceleration
我们考虑一个假设，即封闭宇宙是在另一个宇宙中存在的黑洞的事件视界的另一侧形成的。这个黑洞在宇宙中以边界白洞的形式出现，它在同动坐标系中的静止坐标系是一个参考坐标系，在这个参考坐标系中，宇宙微波背景是各向同性的。我们考虑引力场的拉格朗日密度与曲率标量成正比，并使用度量-仿射变分原理，其中对称仿射联络和度量张量是变量。白洞通过一个最简单的，通常是协变的线性项出现在拉格朗日中：白洞四速度在共动坐标中的四发散。我们表明，相对于连接的变化的作用产生的nonmetricity，这将创建一个长期的拉格朗日，相当于一个积极的宇宙学常数。因此，目前的宇宙加速可能是封闭宇宙边界的一种表现。我们还表明，一个测试粒子的运动方程偏离测地线方程的一项，这取决于四个速度的粒子和白洞。白洞的静止坐标系是唯一的绝对惯性参考系。这种偏离可以在银河系尺度上观察到。
2020-03-02 astro-ph.CO gr-qc
White Paper on Ultra-High Energy Cosmic Rays
在未来十年中可以回答的一个基本问题是：最高能量宇宙粒子的起源是什么？最高能量宇宙射线源的发现将揭示近代宇宙中最具活力的天体物理环境的运作。候选的来源范围从紧凑物体的诞生到与伽马射线暴有关的爆炸或在活动星系核中的超大质量黑洞周围产生的爆炸。对超高能宇宙射线的研究，除了开启高能天体物理学的新纪元外，还将制约银河系和河外磁场的结构。这些粒子从源到地球的传播也探测了宇宙背景辐射，并在比陆地实验室所能达到的能量高几个数量级的情况下深入了解粒子相互作用。设计用于研究最高能量宇宙射线的下一代天文台将对超高能光子和中微子具有前所未有的灵敏度，这将进一步阐明宇宙在最极端能量下的运作。为了在2010-2020十年期间应对这一挑战，将需要显著增加对6 1019 eV以上宇宙射线的综合暴露。回答这个开放性问题的技术能力就在眼前，探索带电粒子天文学的时机已经成熟。
2009-03-02 astro-ph.CO astro-ph.HE
High-accuracy polarimetry for CMB: new frontiers with the POLOCALC project
University of Milan Bicocca（米兰比可卡大学）
针对宇宙微波背景（CMB）偏振观测中绝对偏振角校准精度不足的问题，POLOCALC项目开发机载校准源，目标实现0.01°的绝对偏振角校准精度，以支持原初B模探测和宇宙双折射检验。
2026-06-19 astro-ph.CO astro-ph.IM
Fundamental Physics with High-Energy Cosmic Neutrinos
高能宇宙中微子可以揭示新的基本粒子和相互作用，探测的能量和距离尺度远远超过实验室中可获得的。本白皮书描述了高能宇宙中微子在未来十年中可以解决的突出粒子物理问题。一份配套的白皮书讨论了宇宙中微子的观测如何解决天体物理学中的未决问题。使用高能宇宙中微子进行基础物理学的测试将通过详细测量它们的能谱、到达方向、味道成分和时间来实现。
2019-06-30 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Snowmass2021 Cosmic Frontier: The landscape of low-threshold dark matter direct detection in the next decade
本文综述meV至GeV低阈值暗物质直接探测的科学动因、最新进展与未来机遇，并指出通过研发投入和小型项目组合可在未来十年拓展未探索参数空间。
2023-04-27 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
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
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
Astro2020 Project White Paper: The Cosmic Accelerometer
我们提出了一个实验，宇宙加速度计，旨在产生速度精度为$\leq 1$ cm/s的测量稳定性多年到几十年。第一阶段的宇宙加速度计，这是在Astro 2020小程序的规模，将是理想的精确径向速度测量类太阳恒星的宜居带的类地系外行星。与此同时，该实验将作为第二阶段中尺度更大设施的技术开拓者和设施核心，该设施可以在6年的时间尺度上提供对宇宙学红移漂移的重要探测。这一较大的设施自然将提供对地球双行星系统的进一步探测/研究，作为其外部校准过程的一部分。这项实验从根本上是由一种名为PolyOculus的新型低成本望远镜技术实现的，该技术利用了商业现成设备（望远镜，CCD相机和控制计算机）的最新进展，并结合了一种新的光学架构，以产生相当于大镜直径标准望远镜的望远镜收集区域。将PolyOculus阵列与主动稳定的高精度径向速度摄谱仪相结合，提供了一种具有新颖校准功能的独特设施，以实现宇宙加速度计的性能要求。
2019-07-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
A Spectroscopic Road Map for Cosmic Frontier: DESI, DESI-II, Stage-5
在本白皮书中，我们为DESI之外的光谱实验提供了实验路线图。DESI将是本世纪20年代的一次变革性宇宙学巡天，将绘制4000万个星系和类星体的地图，并捕获z=1.2以下的大部分可用线性模式。EST-II将在更高密度和更高红移的星系中进行试点观测。第五阶段的实验将建立这些高密度和高红移的观测结果，在三维空间中绘制数亿颗恒星和星系，以解决暴胀、暗能量、轻相对论物质和暗物质的问题。这些光谱数据还将补充下一代弱透镜，线强度映射和CMB实验，并使其充分发挥潜力。
2022-09-08 astro-ph.CO hep-ex
Astrophysics Uniquely Enabled by Observations of High-Energy Cosmic Neutrinos
高能宇宙中微子携带着关于宇宙中最具能量的非热源的独特信息。本白皮书描述了中微子天文学在未来十年中可以解决的突出天体物理学问题。另一份白皮书讨论了宇宙中微子的观测如何解决基础物理学中的未决问题。对中微子扩散通量的详细测量，对点源中微子的测量，以及对中微子的多信使观测，将使我们能够发现和表征宇宙中能量最大的源。
2019-07-01 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Cosmic Visions Dark Energy: Technology
强大的仪器和探测器研发计划使当前一代的宇宙前沿调查成为可能。对研发的少量投资将继续带来回报，并使新的探测器能够研究宇宙的加速膨胀。仪器和探测器研发为未来几代实验人员提供了重要的培训机会，这些技能在整个能源部高能物理计划中都很重要。
2016-05-02 astro-ph.CO astro-ph.IM
Origin and evolution of cosmic accelerators - the unique discovery potential of an UHE neutrino telescope: Astronomy Decadal Survey (2010-2020) Science White Paper
天文学和天体物理学中最令人感兴趣的问题之一，即产生最高能量宇宙射线（UHECR）的宇宙加速器的起源和演化，可能是通过观测超高能（UHE）宇宙成因中微子来解决的。中微子从它们的源头出发，不受磁场的偏转，也不受与宇宙微波背景相互作用的阻碍。在高能量下，中微子可以通过阿斯卡里安效应在致密的射频透明介质中被检测到。覆盖地理南极的丰富的冷冰，及其卓越的RF清晰度，已经成为开发这种方法的几项开创性工作的所在，包括RICE和ANITA。在这些努力中获得的专业知识以及在建造IceCube光学切伦科夫天文台过程中开发的基础设施的基础上，可以在极点附近部署一个低成本的射频天线站阵列，以便在未来十年内以度尺度角分辨率有效地探测大量的UHE中微子。这样的阵列，如果安装在靠近冰立方，可以允许交叉校准一个小的，但宝贵的中微子事件的子集检测到的光学和无线电方法。除了提供关键信息，以确定来源的UHECR，这样一个天文台也可以提供一个独特的探测长基线高能中微子相互作用在任何人造中微子束无法实现。
2009-02-19 astro-ph.CO astro-ph.HE
Luminosity Bias (II): The Cosmic Web of the First Stars
了解第一批恒星和星系的形成和演化是天文学中最令人兴奋的前沿之一。由于宇宙在早期充满了中性氢，观测第一批恒星的最有希望的方法是使用氢原子的突出的21厘米谱线。目前的观测工作集中在再电离时代（宇宙年龄t ~ 5亿年），更早的时间被认为更具挑战性。然而，下一个更早的星系形成（t ~ 2亿）的前沿正在成为一个有希望的观测目标。这可能是由于最近注意到的早期重子和暗物质之间显著的相对速度效应。速度差抑制了恒星的形成，导致了一种独特的早期光度偏差。这种抑制的空间变化增强了大规模的集群，并在21厘米的强度分布中产生了一个突出的宇宙网络，其尺度为100 Mpc。这种结构使射电天文学家更容易探测到这些早期恒星，并应该推动对这个时代的新关注，这个时代充满了很少探索的天体物理学。
2013-06-05 astro-ph.CO
Cosmic Infrared Background Fluctuations and Zodiacal Light
我们已经进行了一个特定的观测测试，以测量黄道光可以对近红外背景的空间波动的测量的效果。以前对黄道光可能引起的波动的估计通常是从较长波长和低角分辨率的热发射观测中推断出来的，或者是从IRAC对高纬度地区的观测中推断出来的，在这些地区黄道光是微弱的，并且不随时间强烈变化。这里分析的新观测目标是COSMOS场，在低黄道纬度处，黄道光强度在可以观测到该场的太阳伸长率范围内以$\sim2$的因子变化。我们发现背景的空间功率谱的白噪声分量与模拟的黄道光强度相关。大约有一半的白噪声与黄道光相关，但黄道光模型中明显的系统不确定性阻碍了对白噪声的更详细解释。在大的角度尺度（$\gtrsim100"$），观察到多余的功率以上的白噪声，我们发现没有相关性的功率与模拟强度的黄道光。这个测试清楚地表明，红外背景中的大尺度功率不是由黄道光引起的。
2016-04-25 astro-ph.CO
Frontier Fields: High-Redshift Predictions and Early Results
前沿领域计划正在获得哈勃和斯皮策太空望远镜拍摄的新的“空白”领域和附近被大质量星系团引力透镜的领域的深空图像。哈勃望远镜拍摄的透镜场图像揭示了nJy源（AB等> 31），这是迄今观测到的最暗的星系。在本文中，我们提出了高红移（z > 6）计数预测的完整程序和候选人在三个第一哈勃前沿场图像。完整的计划将改变我们对前6亿年（z > 9）星系演化的理解。以前的程序可能产生十几个z > 9的候选者，前沿领域可能产生约70个（每个领域约6个）。我们的估计是基于社区提交的4 < z < 8和引力透镜模型之间观测到的光度函数的外推。然而，在迄今为止获得的前两张深红外哈勃图像中，我们发现z ~ 8候选者，但在z > 9时没有强候选者。这可能表明在超深场中也报告了微弱的z > 9星系的不足（即使在较浅的区域中报告了过多的明亮的z > 9星系）。在这些红移下，宇宙的变化（场与场之间的变化）预计是显著的（大于+/-50%），包括在超密度中形成的早期星系的聚集。完整的Frontier Fields计划将通过观察六条独立的视线来显着减轻这种不确定性，每条视线都有一个透镜集群和附近的空白区域。
2014-04-30 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Frontiers of Dark Energy
宇宙学家刚刚开始探索宇宙真空的性质，以及它在逆转引力吸引力以加速宇宙膨胀中的作用。这种加速的原因被赋予了暗能量的通称，无论它是由于一个真正的真空，一个虚假的，暂时的真空，或真空和引力之间的新关系。尽管有共同的名称，但这些起源之间的区别是最感兴趣的，物理学家们正在积极寻找使用宇宙学观测来区分哪一个是真正的新物理学的方法。在这里，我们将讨论如何将理论思想与实验约束联系起来，如何理解暗能量对宇宙膨胀和结构的影响，以及当前和近期数据正在照亮新物理学的前沿。
2010-09-24 astro-ph.CO
Energetic Particles of Cosmic Accelerators II: Active Galactic Nuclei and Gamma-ray Bursts
高能宇宙揭示了高能粒子在宇宙中无处不在，在各种尺度的宇宙环境培育中起着至关重要的作用。虽然它们在培养宇宙学环境和/或使我们能够研究它方面起着关键作用，但我们对AGN和GRB仍然有很多不了解，特别是它们提供辐射和高能粒子的途径，即它们的喷流。本白皮书是两部分系列中的第二部分，重点介绍了最知名的高能宇宙加速器以及MeV伽马射线天文学将为理解其高能粒子现象带来的贡献。本白皮书的重点是活动星系核和伽马射线暴。
2019-03-11 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
COrE (Cosmic Origins Explorer) A White Paper
COrE（Cosmic Origins Explorer）是第四代全天空微波波段卫星，最近在2015-2025年宇宙愿景中向欧空局提出。COrE将提供15个频段的微波天空偏振和温度图，范围从45 GHz到795 GHz，角分辨率从23弧分（45 GHz）到1.3弧分（795 GHz），灵敏度大约比普朗克高10到30倍（取决于频率通道）。COrE任务将在从原始宇宙学到银河系和河外科学的广泛领域带来突破性科学。COrE的目的是探测宇宙暴胀时期产生的原始引力波，其强度超过$r=(T/S)>=10^{-3}$的$3σ$。它还将测量宇宙微波背景引力透镜偏转功率谱到所有线性尺度上的宇宙方差极限，使我们能够比实验室实验更好地探测绝对中微子质量，并下降到中微子振荡数据所建议的合理值。COrE还将搜索原始的非高斯性，在约束非高斯性的形状（和振幅）的能力方面比普朗克有显着改进。在银河系和河外科学领域，COrE将在其最高频率通道中提供银河系偏振尘埃发射的地图，使我们能够绘制银河系磁场扩散发射区域的地图，否则无法探测恒星形成的初始条件。COrE还将绘制比普朗克好30倍的银河系同步辐射图。本白皮书回顾了COrE科学计划，我们对前景减法的模拟，以及拟议的仪器配置。
2011-04-29 astro-ph.CO
Frontiers in Nuclear Astrophysics
在不同的宇宙场景的核合成进行审查，与所涉及的基本概念的摘要，然后讨论在每种情况下的现状。我们回顾了早期宇宙的物理学，质子中子比的影响，在观测到的氦丰度，反应网络，形成元素铍，非均匀大爆炸模型，和大爆炸核合成宇宙学模型的约束。注意的是在恒星中的元素生产，连同pp链的细节，pp反应，$^3$他的形成和破坏，电子捕获的$^7$ Be，$^8$ B形成的重要性和它与太阳中微子的关系，以及中微子振荡。大质量恒星的核合成也进行了综述，重点是CNO循环和它的热伴星循环，rp过程，三重$α$捕获，红巨星和AGB星。碳、氖、氧和硅的恒星燃烧在单独的一节中提出，以及缓慢和快速的核子捕获过程，以及由于电子引起的介质修改对密核反应的重要性。讨论了超新星、X射线爆发和坍缩超新星等激变事件中的核合成、中微子的作用、超新星的放射性和光变曲线以及中子星的结构和状态方程。最后对宇宙射线的元素组成作了简要的评述。
2016-05-04 astro-ph.CO astro-ph.SR nucl-ex
Massive Black Holes Across Cosmic Time
这份提交给美国国家科学院天文2010年十年审查委员会的白皮书概述了一些悬而未决的问题，这些问题涉及星系核中大规模黑洞的组装历史，以及低频引力波天文学在这一领域的革命性贡献。
2009-02-28 astro-ph.CO astro-ph.HE
