[論文レビュー] Testing modified (Horndeski) gravity by combining intrinsic galaxyalignments with cosmic shear

Robert Reischke, Víctor Boscá+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 74被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、弱引力レンズ調査における宇宙密度揺らぎと組み合わせることで、ホーンデスキー修正重力理論を検証するための内因的銀河アライメント（IAs）を宇宙論的プローブとして使用することを提案している。IAsは重力ポテンシャルΦにのみ敏感であるのに対し、宇宙的せん断はバーデンポテンシャルの和（Φ + Ψ）をプローブするため、重力の直接的検証が可能である。しかし、IAsの振幅を自己自己校正する場合、シミュレーションからの事前制約がなければ、修正重力パラメータへの感度が著しく制限される。

ABSTRACT

We study the impact of modified gravity of the Horndeski class, on intrinsic shape correlations in cosmic shear surveys. As intrinsic shape correlations (IAs) are caused by tidal gravitational fields acting on galaxies as a collection of massive non-relativistic test particles, they are only sensitive to the gravitational potential, which forms in conjunction with the curvature perturbation. In contrast, the cosmic shear signal probes the sum of these two, i.e. both Bardeen-potentials. Combining these probes therefore constitutes a test of gravity, derived from a single measurement. Focusing on linear scales and alignments of elliptical galaxies, we study the impact on inference of the braiding $\hat{\alpha}_B$ and the time evolution of the Planck mass $\hat{\alpha}_M$ by treating IAs as a genuine signal contributing to the overall ellipticity correlation. We find that for extsc{Euclid}, IAs can help to improve constraints on modified gravity of the Horndeski-class by 10 per cent if the alignment parameter needed for the linear alignment model is provided by simulations. If, however, the IA needs to be self calibrated, all of the sensitivity is put into the inference of the alignment strength $D$ since there is a very strong correlation with the evolution of the Planck mass. Thus diminishing the benefit of IA for probing modified gravitational theories. While the present paper shows results mainly for modified gravity parameters, similar deductions can be drawn for the investigation of anisotropic stresses, parameterised modifications to the Poisson-equation, the phenomenology of gravitational slip and to breaking degeneracies in a standard cosmology.

研究の動機と目的

• 弱引力レンズ調査における内因的アライメント（IAs）を系統誤差から宇宙論的プローブに転換すること。
• IAs（Φに敏感）と宇宙的せん断（Φ + Ψに敏感）の補完的感度を用いて、ホーンデスキークラスの修正重力理論を検証すること。
• IAsが、ブライディングパラメータˆαB やプランク質量の時間的変化ˆαM といった修正重力パラメータの制約をどのように改善できるかを評価すること。
• IAs振幅の自己自己校正とシミュレーションからの事前制約の両方の影響が、修正重力の推定に与える影響を評価すること。
• この手法が、非対称応力、重力スリップ、ポアソン方程式の記述的修正など、より広範な応用にどう適用できるかを検討すること。

提案手法

• 楕円銀河の線形潮汐アライメントモデルを用いて、形状相関が潮汐ひずみに線形に依存すると仮定し、内因的形状相関を記述する。
• 宇宙的せん断信号をバーデンポテンシャルの和（Φ + Ψ）の関数としてモデル化し、修正重力における計量ゆらぎに敏感であることを示す。
• IAsと宇宙的せん断のパワースペクトルを統合し、ホーンデスキー重力パラメータˆαB と ˆαM を制約するための連合尤度解析を実施する。
• 大規模スケール（ℓ < 300）で線形理論が適用可能な領域に注目し、段階IVの調査（例：Euclid）におけるフィッシャー行列予測を実施する。
• 2つのシナリオを比較：1つはシミュレーションから得られる既知のIAs振幅、もう1つはデータからIAs強度（D）を自己自己校正するもの。
• IAs振幅と修正重力パラメータの間のデゲネラシー、特にDと時間的変化のプランク質量ˆαM 間の強い相関を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IAsが宇宙的せん断と組み合わされれば、ホーンデスキー修正重力パラメータに独立した制約を提供できるか？
• RQ2 IAs振幅Dの自己自己校正が、修正重力パラメータˆαB と ˆαM への感度にどのように影響するか？
• RQ3 IAs強度の事前知識が、ホーンデスキー重力の制約をどの程度改善できるか？
• RQ4 IAsが、修正重力モデルにおける重力スリップ（Φ − Ψ）や非対称応力のデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ5 アライメント機構が不確実なスパイラル銀河が、IAsに基づく重力検証に追加の統計的パワーを提供できるか？

主な発見

• IAs振幅Dが事前に与えられれば（例：シミュレーションから）、Euclidに類似した調査において、ホーンデスキー重力パラメータの制約が約10％改善される。
• IAs振幅Dをデータから自己自己校正しなければならない場合、ほぼすべての統計的パワーがDのフィッティングに消費され、ˆαB や ˆαM を制約するための信号対雑音比はほとんど残らない。
• Dとプランク質量の時間的変化ˆαM 間の強いデゲネラシーは、Dが事前に分かっていない場合、IAsが修正重力の探査に有用でないことを示唆している。
• IAsは、プランク質量の時間的変化（ˆαM）の変化に最も敏感であるため、ホーンデスキー重力における計量の時間的進化を独自に探査できる。
• IAs（Φに敏感）と宇宙的せん断（Φ + Ψに敏感）の補完的感度により、重力スリップの直接的検証が可能だが、IAs振幅が既知でなければ成立しない。
• 今後の調査では、DとˆαB／ˆαM を同時に十分な精度で独立して測定することは不可能であり、シミュレーションベースの事前制約、あるいはスパイラル銀河のための改善モデルの開発が不可欠である。