[論文レビュー] How can gravitational-wave standard sirens and 21 cm intensity mapping jointly provide a precise late-universe cosmological probe?

Shang-Jie Jin, Ling-Feng Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 118被引用数 52

ひとこと要約

本論文は、エインシュタイン望遠鏡（ET）およびTaijiからの重力波標準サインズと、SKAフェーズIの中周波数アレイからの21cm強度マッピングを統合した共同宇宙論的プローブを提案し、後期宇宙論におけるパラメータのデゲネラシーを解消する。予測によれば、この統合手法によりΛCDMモデルでσ(H₀) = 0.28 km s⁻¹ Mpc⁻¹の精度が達成され、Planck+BAO+SNeを上回る。これは、ハッブル・トランクの解消に向けた強力で高精度な手法であることを示している。

ABSTRACT

In the next decades, the gravitational-wave (GW) standard siren observations and the neutral hydrogen 21-cm intensity mapping (IM) surveys, as two promising cosmological probes, will play an important role in precisely measuring cosmological parameters. In this work, we make a forecast for cosmological parameter estimation with the synergy between the GW standard siren observations and the 21-cm IM surveys. We choose the Einstein Telescope (ET) and the Taiji observatory as the representatives of the GW detection projects and choose the Square Kilometre Array (SKA) phase I mid-frequency array as the representative of the 21-cm IM experiments. In the simulation of the 21-cm IM data, we assume perfect foreground removal and calibration. We find that the synergy of the GW standard siren observations and the 21-cm IM survey could break the cosmological parameter degeneracies. The joint ET+Taiji+SKA data give $\sigma(H_0)=0.28\ { m km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$ in the $\Lambda$CDM model, $\sigma(w)=0.028$ in the $w$CDM model, which are better than the results of $Planck$+BAO+SNe, and $\sigma(w_0)=0.077$ and $\sigma(w_a)=0.295$ in the CPL model, which are comparable with the results of $Planck$+BAO+SNe. In the $\Lambda$CDM model, the constraint precision of $H_0$ and $\Omega_{ m m}$ is less than or rather close to 1%, indicating that the magnificent prospects for precision cosmology with these two promising cosmological probes are worth expecting.

研究の動機と目的

• 重力波標準サインズと21cm強度マッピングの相乗効果が、後期宇宙論におけるパラメータ推定をどれほど向上させるかを調査すること。
• 系統的誤差が異なる2つの独立した次世代宇宙論的プローブを組み合わせることで、ハッブル・トランクを解決すること。
• 21cmデータにおける完全なフォアグラウンド除去とキャリブレーションを想定した現実的な仮定のもとで、宇宙論的制約を予測すること。
• ΛCDM、wCDM、CPLモデルにおけるH₀、w、w₀、wₐのパラメータについて、共同プローブの性能を評価すること。
• 重力波標準サインズと21cm強度マッピングの組み合わせが、個々のプローブやPlanck+BAO+SNeに比べて、より効果的に宇宙論的パラメータのデゲネラシーを解消できることを示すこと。

提案手法

• エインシュタイン望遠鏡（ET）が二進中性星（BNS）を標的とし、Taijiが質量の大きなブラックホール二重星（MBHB）を標的とした重力波標準サインズイベントをシミュレートする。
• スカイ・メートル・アレイ（SKA）フェーズIの中周波数アレイを用いて、21cm強度マッピングのパワースペクトルをモデル化し、完全なフォアグラウンド除去とキャリブレーションを仮定する。
• フィッシャー行列解析を用いて、ΛCDM、wCDM、CPLモデルにおける宇宙論的パラメータの制約を予測する。
• 模擬データ生成のための基準宇宙論的パラメータを、Planck 2018 TT,TE,EE+lowEの結果に設定する。
• ET、Taiji、SKAのフィッシャー行列を統合し、H₀、Ωₘ、w、w₀、wₐの共同制約を計算する。
• H₀およびダークエネルギーの状態方程式パラメータの精度を、Planck+BAO+SNeのベースラインと比較して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力波標準サインズと21cm強度マッピングの統合が、個々のプローブに比べて、宇宙論的パラメータのデゲネラシーをより効果的に解消できるか？
• RQ2 ΛCDM、wCDM、CPLモデルにおいて、ET、Taiji、SKAのデータを統合することで、H₀、w、w₀、wₐの精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 共同制約の精度は、特にハッブル・トランクの解消に寄与するか、Planck+BAO+SNeの組み合わせと比較してどうか？
• RQ4 高赤方偏移（MBHB）と低赤方偏移（BNS）の両方の標準サインズを含めることで、宇宙論的制約はどの程度向上するか？
• RQ5 21cm IMデータは、距離-赤方偏移測定と比較して、w(z)の制約において競争力を持つことができるか、特に標準サインズと組み合わせた場合に？

主な発見

• ΛCDMモデルにおいて、共同ET+Taiji+SKAデータの予測ではσ(H₀) = 0.28 km s⁻¹ Mpc⁻¹であり、Planck+BAO+SNeを上回る精度を達成する。
• wCDMモデルでは、共同プローブがσ(w) = 0.028を達成し、Planck+BAO+SNeの結果を上回るきめ細かさを示す。
• CPLモデルではσ(w₀) = 0.077およびσ(wₐ) = 0.295であり、Planck+BAO+SNeの制約と同等の精度である。
• ΛCDMモデルにおけるH₀およびΩₘの制約は1%未満、あるいは非常に近い値であり、1%未満の精度が達成可能であることを示している。
• この統合手法は、特にH₀およびw(z)の制約を強化することで、宇宙論的パラメータのデゲネラシーを効果的に解消する。
• 重力波標準サインズと21cm強度マッピングを組み合わせることで、後期宇宙論における強力で独立的かつ高精度なプローブが得られ、ハッブル・トランクの解消に強く寄与する可能性を示している。