[論文レビュー] Strongly lensed repeating Fast Radio Bursts precisely probe the universe

Zhengxiang Li, He Gao+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、強力にレンズ効果を受けて繰り返し発生する電波バースト（FRB）の時間遅れを、正確な宇宙論的プローブとして使用することを提案している。ミリ秒スケールのバーストからの極めて高い信号対雑音比と、銀河スケールのレンズ遅れ（約10日）を組み合わせることで、10個のこのようなシステムを用いることで、モデルに依存しない方法でハッブル定数を0.48%の精度で制約可能であり、宇宙論的曲率を0.056の精度で制約可能である。これは、FLRW計量の直接的なテストを可能にし、曲率とダークエネルギーのデゲネラシーを解消する。

ABSTRACT

Fast Radio bursts (FRBs) are bright transients with millisecond duration at $\sim$ GHz frequencies, whose physical origin is subject to intense debate. Most FRBs are located at high galactic latitudes and have anomalously large dispersion measures (DMs). Attributing DM to an intergalactic medium origin, the corresponding redshifts z are around $0.5-1$. In this case, FRBs have great chance to be gravitationally lensed by intervening galaxies. Since in a lensed FRB system, the time delay between images can be measured to extremely high precision because of the large ratio $\sim10^9$ between the typical galaxy-lensing delay time $\sim\mathcal{O}$(10 days) and the narrow width of the bursts $\sim\mathcal{O}$(ms), we propose accurate measurements of time delays between images of lensed FRBs as a powerful probe for precision cosmology. Here we show that, within the flat $\Lambda$CDM model, the Hubble constant $H_0$ can be constrained with an uncertainty of $0.48\%$ from accurate measurements of time delays of 10 such systems. More importantly, on the basis of the distance sum rule, the cosmic curvature will be constrained to a precision of $\sim0.056$ in a model-independent way. Such a direct and model-independent constraint on the cosmic curvature will provide a stringent direct test for the validity of the Friedmann-Lema\^{i}tre-Robertson-Walker (FLRW) metric and break the intractable degeneracy between the cosmic curvature and dark energy, offering the opportunity in investigating the nature of dark sectors of the universe.

研究の動機と目的

• 強力にレンズ効果を受ける繰り返し発生する電波バースト（FRB）における高精度な時間遅れを、宇宙論的パラメータ推定に活用すること。
• 標準的宇宙論モデルにおける宇宙論的曲率とダークエネルギーのデゲネラシーを克服すること。
• 距離和則の文脈で、レンズ効果を受けるFRBシステムを用いて、フリードマン＝ラマイトル＝ロバートソン＝フォッカー（FLRW）計量に対するモデルに依存しないテストを実施すること。
• FRBレンズ効果システムを用いた高精度な宇宙論的プローブとしての可能性を、平坦なΛCDMフレームワーク内に提示すること。

提案手法

• 通常の銀河レンズ効果による時間遅れ（約10日）とFRBバーストのミリ秒スケールの持続時間との比（約10^9）を活用し、ミリ秒未塔の時間遅れ測定を可能にする。
• レンズ効果を受けるFRBシステムの文脈で距離和則を適用し、特定のダークエネルギーモデルを仮定せずに時間遅れを宇宙論的パラメータと関連付ける。
• 平坦なΛCDM宇宙論的フレームワークを仮定してレンズ効果システムをモデル化し、H₀および宇宙論的曲率の制約を導出する。
• 同一の繰り返し発生FRBの複数の像間の時間遅れを直接観測可能な量として用い、宇宙論的距離を推定する。
• 10個のレンズ効果を受けるFRBシステムからの統計的制約を統合し、H₀およびΩkの精度を向上させる。
• フィッシャー行列解析を用いて、将来の観測から得られる宇宙論的パラメータの期待される不確実性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力にレンズ効果を受ける繰り返し発生するFRBにおける時間遅れは、宇宙論的曲率を高精度かつモデルに依存しない方法で測定可能か？
• RQ2 10個のレンズ効果を受けるFRBシステムからの時間遅れを用いて、ハッブル定数H₀はどの程度まで制約可能か？
• RQ3 レンズ効果を受けるFRBシステムにおける距離和則は、どのようにしてFLRW計量の直接的テストを可能にするか？
• RQ4 このFRBベースの手法を用いることで、宇宙論的曲率とダークエネルギーのデゲネラシーを解消できるか？
• RQ5 この新しいFRBレンズ効果技術を用いた宇宙論的パラメータ推定の期待される精度はどの程度か？

主な発見

• 10個の強力にレンズ効果を受ける繰り返し発生するFRBシステムからの時間遅れ測定を用いることで、ハッブル定数H₀の不確実性を0.48%まで制約可能である。
• 距離和則を用いることで、モデルに依存しない方法で宇宙論的曲率Ωkを約0.056の精度で制約可能である。
• この手法は、ダークエネルギーのパrametrizationに依存せず、フリードマン＝ラマイトル＝ロバートソン＝フォッカー（FLRW）計量に対する直接的な幾何学的テストを提供する。
• この手法は、宇宙論的曲率とダークエネルギーのデゲネラシーを解消し、ダークセクターの性質に関する新たな知見を提供する。
• ミリ秒スケールのバーストからの高い信号対雑音比と、長時間遅れのおかげで、ミリ秒未塔の時間遅れ分解能が可能となり、FRBは高精度宇宙論に最適なツールである。
• この手法は平坦なΛCDMモデル内でも堅牢であり、宇宙論の根本的仮定をテストする新しい道を開く。