[論文レビュー] Prospects of testing late-time cosmology with weak lensing of gravitational waves and galaxy surveys

Anna Balaudo, Alice Garoffolo+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、重力波の弱いレンズ効果（GW-WL）と銀河図鑑を組み合わせることで、晩期宇宙論、特に修正重力およびダークエネルギーモデルを検証する可能性を調査している。GW-WLは、最適な状況下で非ΛCDMパラメータの精度を2倍にし、サブパーセントレベルの制約を達成できることを示しており、標準サインズおよび大規模構造調査とは補完的なプローブを提供する。

ABSTRACT

We investigate the synergy of upcoming galaxy surveys and gravitational wave (GW) experiments in constraining late-time cosmology, examining the cross-correlations between the weak lensing of gravitational waves (GW-WL) and the galaxy fields. Without focusing on any specific GW detector configuration, we benchmark the requirements for the high-precision measurement of cosmological parameters by considering several scenarios, varying the number of detected GW events and the uncertainty on the inference of the source luminosity distance and redshift. We focus on $Λ$CDM and scalar-tensor cosmologies, using the Effective Field Theory formalism as a unifying language. We find that, in some of the explored setups, GW-WL contributes to the galaxy signal by doubling the accuracy on non-$Λ$CDM parameters, allowing in the most favourable scenarios to reach even percent and sub-percent level bounds. Though the most extreme cases presented here are likely beyond the observational capabilities of currently planned individual GW detectors, we show nonetheless that - provided that enough statistics of events can be accumulated - GW-WL offers the potential to become a cosmological probe complementary to LSS surveys, particularly for those parameters that cannot be constrained by other GW probes such as standard sirens.

研究の動機と目的

• 今後の銀河図鑑と重力波（GW）実験の相乗的潜在能力が晩期宇宙論をどの程度制約できるかを評価すること。
• 重力波の弱いレンズ効果（GW-WL）と銀河密度揺らぎの間のクロス相関が、宇宙論的パラメータの制約にどのように寄与するかを評価すること。
• GWイベントの統計と距離／赤方偏移推定の不確実性を変化させた場合の、宇宙論的パラメータ推定への影響を調査すること。
• 標準サインズおよび大規模構造調査とは補完的なプローブとしてのGW-WLの有効性を検証すること、特に他のGW手法では制約が難しいパラメータに対して。
• 有効場理論形式を用いて、スカラー・テンソル理論およびΛCDM拡張を制約するGW-WLの実現可能性を特定すること。

提案手法

• 有効場理論（EFT）を用いて、スカラー・テンソル重力モデル（ホルンデスキ理論を含む）を統一的に分析する。
• 重力波の弱いレンズ効果と銀河過密度場のクロス相関をモデル化し、宇宙論的情報を抽出する。
• 検出されたGWイベント数と距離の等価距離および赤方偏移推定の不確実性を変化させ、宇宙論的制約をベンチマークする。
• フィッシャー行列予測を用いて、さまざまなシナリオ下での宇宙論的パラメータ推定の精度を推定する。
• GW源の赤方偏移分布（例：$z_0 = 0.5, 1.0, 1.5$）を変化させ、源の分布への感受性を評価する。
• GW-WLがΛCDMおよびスカラー・テンソルモデルにおける$w_0$, $w_a$, $\Omega_0$, および $\gamma_2^0$ のようなパラメータをどの程度制約に寄与するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GWの弱いレンズ効果と銀河図鑑のクロス相関は、銀河図鑑単体に比べて、非ΛCDMパラメータの制約をどの程度改善するか？
• RQ2 GW-WLが宇宙論的パラメータに対してサブパーセントレベルの境界を達成するには、どの程度のGWイベント統計と距離精度が求められるか？
• RQ3 GW源の赤方偏移分布への宇宙論的制約の感受性はどの程度か、特に標準サインズと比較して。
• RQ4 どのような状況下でGW-WLは他のGWベースの宇宙論的プローブ（例：標準サインズ）を上回るか、あるいは補完的になるか？
• RQ5 電波的調査では制約が難しい、修正重力モデル内のデゲネラシーをGW-WLはどの程度解消できるか？

主な発見

• 有利な状況下では、GW-WLは非ΛCDMパラメータの精度を2倍にし、パーセントおよびさらにはサブパーセントレベルの制約を可能にする。
• 宇宙論的制約の最大の向上は、GW源と銀河の赤方偏移分布に顕著な重なりがある場合に見られ、特に$z_0 = 1.5$のケースで高赤方偏移源の統計が高いため、最も優れた性能を示す。
• $z_0 = 0.5$のケースでは、高赤方偏移域での銀河分布との重なりが著しく不足しているため、制約が著しく緩くなる。
• $\sigma_{d_L} = 1\%$の場合、GW-WLはすべてのGWイベント数において$\Omega_0$および$\gamma_2^0$の制約に顕著に寄与し、イベント数が少ない場合でも頑健であることが示された。
• 源の分布の影響はモデルIにおいてモデルIIよりも顕著であり、$z_0 = 0.5$と$z_0 = 1.5$の比較で$w_a$および$\Omega_0$の制約差が最大で10％に達する。
• 第3世代検出器（例：ET、CE）では、GW-WLが競争力を持つのに十分な統計が得られない可能性があるが、将来的な第4世代検出器では、GW-WLが実現可能かつ補完的な宇宙論的プローブとなる可能性がある。