[論文レビュー] Euclid: Constraints on f(R) cosmologies from the spectroscopic and photometric primary probes

Santiago Casas, V. F. Cardone+127 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Euclidの近いスペクトロスコピックおよびフォトメトリックプローブを用いて、f(R)修正重力モデルに対する宇宙論的制約を提示する。弱引力レンズ、銀河クラスタリング、X線銀河団数の組み合わせにより、fR0パラメータに対するきつい制約が得られ、全データを用いた場合に|fR0| = 5.0⁺⁰.⁶²₋⁰.⁵⁵ × 10⁻⁶に達する。これは、Euclidがf(R)モデルとΛCDMモデル、およびそれらの間を区別できる可能性を示している。

ABSTRACT

$ extit{Euclid}$ will provide a powerful compilation of data including spectroscopic redshifts, the angular clustering of galaxies, weak lensing cosmic shear, and the cross-correlation of these last two photometric observables. In this study we extend recently presented $ extit{Euclid}$ forecasts into the Hu-Sawicki $f(R)$ cosmological model, a popular extension of the Hilbert-Einstein action that introduces an universal modified gravity force in a scale-dependent way. Our aim is to estimate how well future $ extit{Euclid}$ data will be able to constrain the extra parameter of the theory, $f_{R0}$, for the range in which this parameter is still allowed by current observations. For the spectroscopic probe, we use a phenomenological approach for the scale dependence of the growth of perturbations in the terms related to baryon acoustic oscillations and redshift-space distortions. For the photometric observables, we use a fitting formula that captures the modifications in the non-linear matter power spectrum caused by the $f(R)$ model. We show that, in an optimistic setting, and for a fiducial value of $f_{R0} = 5 imes 10^{-6}$, $ extit{Euclid}$ alone will be able to constrain the additional parameter $\log f_{R0}$ at the $3\%$ level, using spectroscopic galaxy clustering alone; at the $1.4\%$ level, using the combination of photometric probes on their own; and at the $1\%$ level, using the combination of spectroscopic and photometric observations. This last constraint corresponds to an error of the order of $6 imes 10^{-7}$ at the $1σ$ level on the model parameter $f_{R0} = 5 imes 10^{-6}$. We report also forecasted constraints for $f_{R0} = 5 imes 10^{-5}$ and $f_{R0} = 5 imes 10^{-7}$ and show that in the optimistic scenario, $ extit{Euclid}$ will be able to distinguish these models from $Λ\mathrm{CDM}$ at more than 3$σ$. (abridged)

研究の動機と目的

• Euclidの近いスペクトロスコピックおよびフォトメトリックデータのf(R)修正重力モデルに対する制約力の評価。
• Euclidがf(R)モデルを標準的なΛCDM宇宙論およびそれらの間でどれほど明確に区別できるかの評価。
• 非線形スケールおよびプローブ間の相互相関が宇宙論的制約に与える影響の調査。
• 構造の成長レートや背景膨張のモデル固有の特徴に対する制約の感受性の定量化。
• 系統的不確実性および理論的モデリング仮定の変化に対する結果の頑健性の評価。

提案手法

• Euclidの主なプローブ（弱引力レンズ（WL）、スペクトロスコピックおよびフォトメトリック赤方偏移ビンにおける銀河クラスタリング（GC）、X線銀河団数（XC））からの制約を予測するためのフィッシャー行列予測フレームワークを用いる。
• f(R)重力におけるスケール依存の成長および修正されたスクリーニング機構を含む非線形物質パワースペクトルモデルを採用する。
• ハロモデルアプローチを用いて非線形クラスタリングおよび弱引力レンズのシアをモデリングし、ハロ占有分布（HOD）規定を組み込む。
• 実際の誤差モデルを用いて、GCおよびXCプローブにおける赤方偏移空間歪みおよびフォトメトリック赤方偏移誤差を適用する。
• 複数のプローブを連合尤度解析により統合し、相互相関からの情報抽出を最大化する。
• パrameter推定および誤差伝搬にCosmicFishコードを用い、f(R)とニュートリノ質量の間のデゲネラシー（例：）を丁寧に取り扱う。

Figure 1: Relative difference between EFTCAMB and MGCAMB for the linear matter power spectrum ( $\Delta P/P\equiv(P_{\texttt{EFTCAMB}}-P_{\texttt{MGCAMB}})/P_{\texttt{MGCAMB}}$ ) at three different redshifts, $z=0$ (solid orange line), $z=1$ (dashed blue line) and $z=3$ (dot-dashed purple line), for

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Euclidのスペクトロスコピックおよびフォトメトリックプローブの統合により、f(R)重力モデルにおけるfR0パラメータは、ΛCDMと区別できる程度に制約されるか？
• RQ2 非線形スケールおよびWL、GC、XCプローブ間の相互相関の取り入れ方が、f(R)モデルの制約にどのように影響するか？
• RQ3 特にΛCDMに近いモデル（例：HS7）において、基準モデルの選択が制約に与える感受性はどの程度か？
• RQ4 Euclidは、異なるf(R)モデル（例：HS5対HS6）およびΛCDMをどの程度明確に区別できるか？
• RQ5 系統的不確実性および非線形効果の理論的モデリングが、最終的な制約に果たす役割は何か？

主な発見

• 弱引力レンズ、フォトメトリック銀河クラスタリング、X線銀河団数の組み合わせにより、|fR0| = (4.9⁺⁰.⁷⁷₋⁰.⁷⁷) × 10⁻⁶の制約が得られた。
• スペクトロスコピック銀河クラスタリング、弱引力レンズ、フォトメトリック銀河クラスタリング、X線銀河団数の全組み合わせを用いた場合、制約は|fR0| = (5.0⁺⁰.⁶²₋⁰.⁵⁵) × 10⁻⁶に厳しくなる。
• fR0 = 5 × 10⁻⁵を有する基準HS5モデルに対して、予測される制約は同程度のオーダーであり、EuclidがそのモデルをΛCDMから区別できる能力を示している。
• 成長歴がΛCDMに非常に近いHS7モデルについては、制約は弱いが、楽観的な仮定のもとではHS6およびΛCDMからも区別可能である。
• フォトメトリックプローブ間の相互相関および非線形スケールの取り入れが、情報量を著しく増加させ、モデルの区別能力を向上させる。
• 結果は、非線形観測量の正確な理論的モデリングおよびシステムティックの制御が、Euclidデータによる信頼性の高い制約を得るために極めて重要であることを強調している。

Figure 2: Ratio of the scale-dependent matter growth rate $f(k,z)$ in $f(R)$ gravity (for the fiducial value $|f_{R0}|=5\times 10^{-6}$ ) with respect to $\Lambda\mathrm{CDM}$ , for three different wavenumbers $5\times 10^{-3}$ (blue solid line), $5\times 10^{-2}$ (dashed purple line) and $5\times 1