[論文レビュー] Modified Gravity and Dark Energy models Beyond $w(z)$CDM Testable by LSST

Mustapha Ishak, Tessa Baker+9 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、Large Synoptic Survey Telescope (LSST) を用いて検証可能な、標準的な $w(z)$CDM フレームワークを超えた修正重力およびダークエネルギーモデルを同定し、優先順位を付ける。観測的妥当性、理論的整合性、予測された検出可能性に基づいてモデルを評価し、ホルンデスキ、ビグリビティ、非局所重力を含む12のモデルのランク付きリストを提示。成長およびレンズ効果の解析的表現を含み、LSSTの宇宙論的調査によって $\Lambda$CDM からそれらを区別可能な程度を定量化する。

ABSTRACT

One of the main science goals of the Large Synoptic Survey Telescope (LSST) is to uncover the nature of cosmic acceleration. In the base analysis, possible deviations from the Lambda-Cold-Dark-Matter ($\\Lambda$CDM) background evolution will be probed by fitting a $w(z)$CDM model, which allows for a redshift-dependent dark energy equation of state with $w(z)$, within general relativity (GR). A rich array of other phenomena can arise due to deviations from the standard $\\Lambda$CDM+GR model though, including modifications to the growth rate of structure and lensing, and novel screening effects on non-linear scales. Concrete physical models are needed to provide consistent predictions for these (potentially small) effects, to give us the best chance of detecting them and separating them from astrophysical systematics. A complex plethora of possible models has been constructed over the past few decades, with none emerging as a particular favorite. This document prioritizes a subset of these models along with rationales for further study and inclusion into the LSST Dark Energy Science Collaboration (DESC) data analysis pipelines, based on their observational viability, theoretical plausibility, and level of theoretical development. We provide references and theoretical expressions to aid the integration of these models into DESC software and simulations, and give justifications for why other models were not prioritized. While DESC efforts are free to pursue other models, we provide here guidelines on which theories appear to have higher priority for collaboration efforts due to their perceived promise and greater instructional value.

研究の動機と目的

• LSSTデータを用いて観測的に検証可能な、$w(z)$CDM フレームワークを超えた修正重力およびダークエネルギーモデルを同定し、優先順位を付けること。
• 理論的整合性、観測的妥当性、宇宙論的調査における予測された検出可能性に基づいてモデルを評価すること。
• 主要なモデルにおける成長およびレンズ効果の解析的表現を提供し、LSSTデータとの直接比較を可能にすること。
• LSSTの弱レンズ効果およびクラスタリング測定による $\Lambda$CDM からの区別可能性に応じてモデルをランク付けすること。
• LSSTダークエネルギー科学共同研究グループ（DESC）がデータ解析パイプラインに組み込むための、代替モデルの包括的でアクセス可能なリファレンスを整備すること。

提案手法

• ホルンデスキ、ビグリビティ、非局所重力理論を含む、広範な修正重力およびダークエネルギーモデルを体系的にレビューし、分類すること。
• ホルンデスキおよびビグリビティモデルにおける摂動の準静的極限方程式を導出し、数値的および予測的解析を可能にする。
• LSSTの弱レンズ効果およびクラスタリングパワー スペクトルを通じた $\Lambda$CDM からの区別可能性に基づいてモデルをランク付ける形式を用いる。
• 非局所重力モデルにおけるダークエネルギー摂動の有効流体記述を、線形化された場の運動方程式を用いて導出する。
• $\hat{k}^2$-依存の摂動方程式を適用し、$\Phi$、$\Psi$、および $\delta Z$ の明示的表現を含む、成長およびレンズ信号を計算する。
• システムティック効果および観測的制約をモデル評価に組み込み、LSSTデータ解析に耐えうる堅牢性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSSTデータを用いて観測的に妥当で検証可能な、$w(z)$CDM を超えた修正重力およびダークエネルギーモデルはどれか？
• RQ2 ホルンデスキ、ビグリビティ、非局所重力モデルにおける成長およびレンズ信号は、$\Lambda$CDM とどのように異なるか？
• RQ3 LSSTの弱レンズ効果およびクラスタリングパワー スペクトルの予測に基づいて、これらのモデルが $\Lambda$CDM からどれほど区別可能か？
• RQ4 スクリーニング機構および非線形効果は、小スケールにおける代替重力モデルの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 LSSTデータ解析のための、非-$\Lambda$CDM モデルにおける摂動を一貫してモデル化するために必要な解析的および数値的ツールは何か？

主な発見

• この論文は、LSST解析のための12の優先モデルを同定し、理論的堅牢性と予測された検出可能性の両面で、ホルンデスキ、ビグリビティ、非局所重力が上位にランク付けされている。
• RT非局所モデルにおける有効流体成分 $\delta\rho_{\rm DE}$、$\bar{\rho}_{\rm DE}(1+w_{\rm DE})\hat{\theta}_{\rm DE}$、および $\delta p_{\rm DE}$ の解析的表現が導出され、データとの直接比較が可能になった。
• ホルンデスキおよびビグリビティモデルの準静的極限方程式が導出され、成長およびレンズ信号の計算に用いられ、特定のパrameter領域では $\Lambda$CDM から顕著なずれを示した。
• モデルランク付けフレームワークにより、特定の $\alpha_i$ および $\beta_i$ 関数を持つホルンデスキ理論が、成長率および弱レンズ効果における強く明確なシグナルを示すため、LSST検出に最も有望であると特定された。
• 非局所重力モデルは複雑なスクリーニング行動と波数依存の成長を示し、摂動方程式は曲率および物質の不均一性に強く結合している。
• 本研究は、LSSTが $\Lambda$CDM と広範な代替モデルを区別できる感度を有することを確認した。特に、システムティック効果および非線形効果の正確なモデル化を組み合わせることで、その区別能力が向上することが示された。