[論文レビュー] Testing gravity using weak gravitational lensing and redshift surveys

Yong‐Seon Song, Olivier Doré|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、弱い重力レンズ効果、銀河クラスタリング、大規模構造サーベイからの異常速度を用いて、一般相対性理論の線形摂動理論から導かれる整合性関係を基に、宇宙規模での重力のモデルに依存しない検証手法を提案する。弱い重力レンズ効果の信号は、重複する銀河赤方偏移サーベイから高精度に予測可能であり、f(R)重力モデルは予測される観測量のずれによりこのようなテストに失敗することが示される。

ABSTRACT

Using the linear theory of perturbations in General Relativity, we express a set of consistency relations that can be observationally tested with current and future large scale structure surveys. We then outline a stringent model-independent program to test gravity on cosmological scales. We illustrate the feasibility of such a program by jointly using several observables like peculiar velocities, galaxy clustering and weak gravitational lensing. After addressing possible observational or astrophysical caveats like galaxy bias and redshift uncertainties, we forecast in particular how well one can predict the lensing signal from a cosmic shear survey using an over-lapping galaxy survey. We finally discuss the specific physics probed this way and illustrate how $f(R)$ gravity models would fail such a test.

研究の動機と目的

• 現在および将来の大規模構造サーベイを用いて、宇宙スケールでの重力の検証に向けたきめ細やかなモデルに依存しないフレームワークを構築すること。
• 一般相対性理論における線形摂動理論に基づき、弱い重力レンズ効果、銀河クラスタリング、および異常速度の間の整合性関係を確立すること。
• 理論的事前分布への依存を最小限に抑えるために、重複する銀河赤方偏移サーベイからレンズ効果信号を予測する可能性を評価すること。
• 銀河バイアスや赤方偏移の不確実性などの観測的・天体物理学的系境を、重力の検証において特定し、それらに対処すること。
• f(R)重力のような修正重力モデルが、導出された整合性関係を満たさない理由を評価すること。

提案手法

• 一般相対性理論における線形摂動理論から、銀河クラスタリング、異常速度、弱い重力レンズ効果などの観測可能な量を結びつける整合性関係を導出する。
• 重複するサーベイから得られる複数の観測量（銀河クラスタリング、異常速度、弱い重力レンズ効果）を組み合わせ、重力モデルの整合性を検証する。
• 宇宙シェアサーベイとクロスマッチド銀河サーベイの予測データを用いて、特定の重力モデルを仮定せずにレンズ効果信号を予測する。
• 銀河バイアスや赤方偏移誤差などの天体物理学的系境を、誤差モデル化と頑健な統計的処理によって扱う。
• f(R)重力のような特定の修正重力モデルを、予測された整合性関係と観測結果を比較することで、このフレームワークを用いて検証する。
• フィッシャー行列予測を用いて、この手法が一般相対性理論からのずれをどの程度感度よく検出できるかを定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対性理論から導かれた整合性関係は、現在および将来の大規模構造サーベイを用いて観測的に検証可能か？
• RQ2 クラスタリングおよび異常速度データのみを用いて、重複する銀河赤方偏移サーベイから弱いレンズ効果信号をどの程度高精度に予測できるか？
• RQ3 銀河バイアスおよび赤方偏移の不確実性は、この手法による重力の検証感度をどの程度低下させるか？
• RQ4 f(R)重力モデルは、一般相対性理論と比較して、導出された整合性関係をどの程度満たさないか？
• RQ5 このアプローチは、モデルに依存しない形で重力モデルを区別する可能性をどの程度持つか？

主な発見

• 一般相対性理論における線形摂動理論から導かれた整合性関係は、宇宙スケールでの重力の検証に向けた頑健でモデルに依存しないフレームワークを提供する。
• 重複する銀河クラスタリングおよび異常速度サーベイから、弱いレンズ効果信号を理論的事前分布への依存を最小限に抑えて高精度に予測できる。
• この手法は一般相対性理論からのずれを検出するのに十分な感度を持っており、f(R)重力モデルは成長およびレンズ効果信号の変化により整合性関係を満たさないことが予測される。
• 銀河バイアスや赤方偏移の不確実性といった系境は、慎重なモデル化によって緩和可能であり、重力物理学への感度を損なわない。
• 複数の観測量を併用することで制約力が向上し、標準的な宇宙論的プローブを超えた重力の厳密な検証が可能になる。
• 予測されるサーベイでは、このアプローチが、妥当な重力モデルと一般相対性理論の間を高信頼度で区別できる可能性を示している。