[論文レビュー] The large scale structure in the 3D luminosity-distance space and its cosmological applications

Pengjie Zhang|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、赤方偏移のスペクトロスコピー的フォローアップを必要とせずに、3次元の等光距離空間（LDS）における宇宙の大規模構造（LSS）を重力波（GW）イベントを用いてマッピングすることを提案する。GWの1%の距離精度とアームインチ程度の位置決め精度を活用することで、距離対応関係のずれを1%の精度で探る距離対応性テストを通じて、暗黒エネルギー、膨張歴史、および修正重力の宇宙論的制約が可能となる。

ABSTRACT

Future gravitational wave (GW) observations are capable of detecting millions of compact star binary mergers in extragalactic galaxies, with $1\%$ luminosity-distance ($D_L$) measurement accuracy and better than arcminute positioning accuracy. This will open a new window of the large scale structure (LSS) of the universe, in the 3D {\bf luminosity-distance space (LDS)}, instead of the 3D redshift space of galaxy spectroscopic surveys. The baryon acoustic oscillation and the AP test encoded in the LDS LSS constrain the $D_L$-$D^{ m co}_A$ (comoving angular diameter distance) relation and therefore the expansion history of the universe. Peculiar velocity induces the LDS distortion, analogous to the redshift space distortion, and allows for a new structure growth measure $f_Lσ_8$. When the distance duality is enforced ($1+z=D_L/D^{ m co}_A$), the LDS LSS by itself determines the redshift to $\sim 1\%$ level accuracy, and alleviates the need of spectroscopic follow-up of GW events.But a more valuable application is to test the distance duality to $1\%$ level accuracy, in combination with conventional BAO and supernovae measurements. This will put stringent constraints on modified gravity models in which the gravitational wave $D^{ m GW}_L$ deviates from the electromagnetic wave $D^{EM}_L$. All these applications require no spectroscopic follow-ups.

研究の動機と目的

• 従来の赤方偏移空間ではなく、等光距離空間（LDS）における重力波（GW）イベントを用いた、宇宙の大規模構造（LSS）をマッピングする新しい手法の開発。
• GWホスト銀河のスペクトロスコピー的赤方偏移測定に依存せずに、特に暗黒エネルギーおよび膨張歴史の宇宙論的パラメータ推定を可能にする。
• GWから得られる等光距離と電磁的（EM）測定値を比較することで、距離対応性関係を1%の精度でテストし、修正重力モデルを制約する。
• 赤方偏移空間歪みとは異なる、構造成長率 $ f_L\sigma_8 $ を独立に測定可能な新しい観測量、等光距離空間歪み（LDSD）を導入する。
• LDS LSSがほこりによる減光、混同、調査境界効果の影響を受けないため、ホライズン規模の構造および初期非ガウス性を調べるのに最適であることを示す。

提案手法

• 将来の第3世代GW検出器（例：BBO、エイントシュタイン・テレスコープ）を用い、1%の等光距離精度とアームインチ程度の天球位置決め精度で、数百万件のコンact二重星合体を検出する。
• 観測された $ D_L^\text{obs} $ と天球位置 $ \hat{n} $ を用いて、GWイベントを宇宙構造のトレーサーとして扱い、等光距離空間（LDS）における3次元LSSをマッピングする。
• 赤方偏移を用いずに、$ D_L $–$ D_A^{\text{co}} $ および $ D_L $–$ H_L $ 関係におけるバリオンAcoustic Oscillation（BAO）特徴をLDS LSSから抽出し、宇宙の膨張歴史を制約する。ここで $ H_L = dD_L/d\chi $ である。
• 特異速度に起因する等光距離空間歪み（LDSD）を、赤方偏移空間歪みに類似させ、成長率 $ f_L\sigma_8 $ を測定する。これは $ f\sigma_8 $ とは赤方偏移依存性が異なる。
• GWによる距離対応性関係 $ 1+z = D_L / D_A^{\text{co}} $ を、LDS測定値とEMベースの $ z $、$ D_A^{\text{co}} $、$ D_L^{\text{EM}} $ データを組み合わせることで、GW等光距離におけるずれ $ \epsilon_a $ を1%の精度で制約する。
• 修正重力効果をモデル化するためのパラメータライゼーション $ \epsilon_{\text{GW}}(a) = \epsilon_a a $ を用い、$ D_L^{\text{GW}} / D_L^{\text{EM}} = \exp(-\epsilon_a z / (1+z)) $ を得る。BBOを用いて $ \epsilon_a $ を1%の精度で制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペクトロスコピー的赤方偏移フォローアップを必要とせずに、重力波イベントを用いて3次元の等光距離空間（LDS）における宇宙の大規模構造をマッピング可能か？
• RQ2 LDSにおける $ D_L $–$ D_A^{\text{co}} $ および $ D_L $–$ H_L $ 関係は、赤方偏移に依存せずに、宇宙の膨張歴史および暗黒エネルギーをどの程度制約できるか？
• RQ3 特異速度に起因する等光距離空間歪み（LDSD）は、構造成長率 $ f_L\sigma_8 $ の新しい測定をどのように可能にし、赤方偏移空間の $ f\sigma_8 $ とはどのように異なるか？
• RQ4 GWとEMデータを組み合わせることで、距離対応性関係を1%の精度でテスト可能か？ そして、これにより修正重力モデルに対する制約はどのようなものか？
• RQ5 ホライズンスケールの構造、初期非ガウス性、および宇宙分散キャンセレーションを調べる観点から、LDS LSSは従来の赤方偏移空間LSSに比べてどのような利点を有するか？

主な発見

• BBOのような将来のGW実験は、1%の距離精度とアームインチ程度の天球位置決め精度を有し、スレクトロスコピー的フォローアップなしで3次元の等光距離空間（LDS）における大規模構造をマッピング可能であり、宇宙論的研究を可能にする。
• LDSにおけるバリオンAcoustic Oscillation（BAO）特徴は、赤方偏移に依存せずに、宇宙の膨張歴史をエンコードする $ D_L $–$ D_A^{\text{co}} $ および $ D_L $–$ H_L $ 関係を制約する。
• 特異速度に起因する等光距離空間歪み（LDSD）は、$ f_L\sigma_8 $ の新しい測定を可能にし、$ f\sigma_8 $ と同様の物理を捉えるが、赤方偏移依存性が異なる。
• GWとEMデータを組み合わせることで、距離対応性関係 $ 1+z = D_L / D_A^{\text{co}} $ を1%の精度でテスト可能であり、$ D_L^{\text{GW}} \neq D_L^{\text{EM}} $ である修正重力モデルに対して厳密な制約が得られる。
• $ \sigma_{\ln D} \simeq 0.001 $ の条件下で、BBOは修正重力パラメータ $ \epsilon_a $ を1%未満の精度で制約可能であり、$ m^2 R \Box^{-2} R $ 修正を含むRRモデルなどに敏感である。
• GWの透過性のおかげで、LDS LSSはほこりによる減光、混同、調査境界効果の影響をまったく受けないため、ホライズンスケールの重力ポテンシャルおよび初期非ガウス性を調べるのに特に適している。