[논문 리뷰] Euclid: Constraints on f(R) cosmologies from the spectroscopic and photometric primary probes

Santiago Casas, V. F. Cardone외 127명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 19.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유클리드의 향후 스펙트로스코픽 및 광도 측정 탐사 자료를 사용하여 f(R) 수정 중력 모델에 대한 천체물리적 제약 조건을 제시한다. 약한 렌즈 효과, 은하 군집, X선 은하단 수를 조합함으로써 fR0 매개변수에 대한 엄밀한 경계를 도출한다 — 전체 데이터를 사용할 경우 |fR0| = 5.0⁺⁰.⁶²₋⁰.⁵⁵ × 10⁻⁶로 도출되며, 이는 유클리드가 f(R) 모델과 ΛCDM 모델 간, 그리고 서로 다른 f(R) 모델 간을 식별할 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

$ extit{Euclid}$ will provide a powerful compilation of data including spectroscopic redshifts, the angular clustering of galaxies, weak lensing cosmic shear, and the cross-correlation of these last two photometric observables. In this study we extend recently presented $ extit{Euclid}$ forecasts into the Hu-Sawicki $f(R)$ cosmological model, a popular extension of the Hilbert-Einstein action that introduces an universal modified gravity force in a scale-dependent way. Our aim is to estimate how well future $ extit{Euclid}$ data will be able to constrain the extra parameter of the theory, $f_{R0}$, for the range in which this parameter is still allowed by current observations. For the spectroscopic probe, we use a phenomenological approach for the scale dependence of the growth of perturbations in the terms related to baryon acoustic oscillations and redshift-space distortions. For the photometric observables, we use a fitting formula that captures the modifications in the non-linear matter power spectrum caused by the $f(R)$ model. We show that, in an optimistic setting, and for a fiducial value of $f_{R0} = 5 imes 10^{-6}$, $ extit{Euclid}$ alone will be able to constrain the additional parameter $\log f_{R0}$ at the $3\%$ level, using spectroscopic galaxy clustering alone; at the $1.4\%$ level, using the combination of photometric probes on their own; and at the $1\%$ level, using the combination of spectroscopic and photometric observations. This last constraint corresponds to an error of the order of $6 imes 10^{-7}$ at the $1σ$ level on the model parameter $f_{R0} = 5 imes 10^{-6}$. We report also forecasted constraints for $f_{R0} = 5 imes 10^{-5}$ and $f_{R0} = 5 imes 10^{-7}$ and show that in the optimistic scenario, $ extit{Euclid}$ will be able to distinguish these models from $Λ\mathrm{CDM}$ at more than 3$σ$. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 유클리드의 향후 스펙트로스코픽 및 광도 측정 데이터의 f(R) 수정 중력 모델에 대한 제약 능력을 평가하기 위해.
• 유클리드가 f(R) 모델을 표준 ΛCDM 천체물리 모델 및 상호 간에 얼마나 잘 구별할 수 있는지 평가하기 위해.
• 비선형 스케일과 탐사 자료 간 상관관계가 천체물리적 제약에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 조직화된 성장률과 배경 팽창과 같은 모델 특성에 대한 민감도를 정량화하기 위해.
• 체계적 불확실성과 다양한 이론적 모델링 가정 하에서 결과의 견고성 평가를 위해.

제안 방법

• 유클리드의 주요 탐사 자료인 약한 렌즈 효과(WL), 스펙트로스코픽 및 광도 측정 적색편이 밴드에서의 은하 군집(GC), X선 은하단 수(XC)의 제약 조건을 예측하기 위해 피셔 행렬 예측 프레임워크를 사용한다.
• f(R) 중력에서 스케일에 따라 변화하는 성장과 수정된 스크리닝 메커니즘을 포함한 비선형 물질 파워 스펙트럼 모델을 적용한다.
• 헤일로 모델 접근법을 사용하여 비선형 군집 및 약한 렌즈 효과의 전단을 모델링하고, 헤일로 점유 분포(HOD) 규정을 통합한다.
• 실제 오차 모델을 사용하여 GC 및 XC 탐사 자료에서 적색편이 공간 왜곡과 광도 적색편이 오차를 적용한다.
• 교차상관관계에서 최대한의 정보를 추출하기 위해 다중 탐사 자료를 공동 우도 분석을 통해 통합한다.
• 매개변수 추정 및 오차 전파를 위해 CosmicFish 코드를 사용하며, f(R)과 중성미소 질량 간의 디게너레이션(예: f(R)과 중성미소 질량 간의 상관관계)를 신중하게 다룬다.

Figure 1: Relative difference between EFTCAMB and MGCAMB for the linear matter power spectrum ( $\Delta P/P\equiv(P_{\texttt{EFTCAMB}}-P_{\texttt{MGCAMB}})/P_{\texttt{MGCAMB}}$ ) at three different redshifts, $z=0$ (solid orange line), $z=1$ (dashed blue line) and $z=3$ (dot-dashed purple line), for

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유클리드의 스펙트로스코픽 및 광도 측정 탐사 자료를 통합하면 f(R) 중력 모델의 fR0 매개변수를 ΛCDM와 구별할 수 있을 정도로 제약할 수 있는가?
• RQ2 약한 렌즈 효과, GC, XC 탐사 자료 간의 비선형 스케일과 상관관계를 포함할 경우 f(R) 모델의 제약 조건은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 특히 ΛCDM에 가까운 모델(예: HS7)의 경우 기준 모델의 선택에 얼마나 민감한가?
• RQ4 유클리드가 서로 다른 f(R) 모델(예: HS5 대비 HS6)과 ΛCDM를 얼마나 잘 구별할 수 있는가?
• RQ5 체계적 불확실성과 비선형 효과의 이론적 모델링이 최종 제약 조건에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 약한 렌즈 효과, 광도 측정 은하 군집, X선 은하단 수의 조합으로 |fR0| = (4.9⁺⁰.⁷⁷₋⁰.⁷⁷) × 10⁻⁶의 제약 조건을 도출하였다.
• 스펙트로스코픽 은하 군집, 약한 렌즈 효과, 광도 측정 은하 군집, X선 은하단 수의 전체 조합을 사용할 경우 제약 조건이 더욱 강화되어 |fR0| = (5.0⁺⁰.⁶²₋⁰.⁵⁵) × 10⁻⁶로 향상되었다.
• |fR0| = 5 × 10⁻⁵인 기준 모델 HS5의 경우, 예측된 제약 조건의 주요 크기가 유사하므로, 이는 유클리드가 ΛCDM와 구별할 수 있음을 시사한다.
• 성장 역사에서 ΛCDM를 거의 그대로 모방하는 HS7 모델의 경우 제약 조건은 더 약해지지만, 낙관적인 가정 하에서는 여전히 HS6 및 ΛCDM와 구별 가능하다.
• 광도 측정 탐사 자료 간의 상관관계 및 비선형 스케일의 포함은 정보량을 크게 증가시키고 모델 간의 식별 능력을 향상시킨다.
• 결과는 비선형 관측량의 정확한 이론적 모델링과 체계적 오차의 통제가 유클리드 자료로 신뢰할 수 있는 제약 조건을 도출하기 위해 매우 중요하다는 점을 강조한다.

Figure 2: Ratio of the scale-dependent matter growth rate $f(k,z)$ in $f(R)$ gravity (for the fiducial value $|f_{R0}|=5\times 10^{-6}$ ) with respect to $\Lambda\mathrm{CDM}$ , for three different wavenumbers $5\times 10^{-3}$ (blue solid line), $5\times 10^{-2}$ (dashed purple line) and $5\times 1