[논문 리뷰] How can gravitational-wave standard sirens and 21 cm intensity mapping jointly provide a precise late-universe cosmological probe?

Shang-Jie Jin, Ling-Feng Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 118인용 수 52

한 줄 요약

이 논문은 만유중력파 표준 소리개(standard sirens)를 라이프타임 기반으로 한 에인스타인 타워(ET)와 타이지, 그리고 SKA 단계 I 중주파수 어레이를 활용한 21cm 강도 매핑을 조합하여 후기 우주론에서의 매개변수의 비결정성 문제를 해결하는 종합적인 우주론적 탐사 방법을 제안한다. 이 조합은 ΛCDM 모델에서 H₀의 표준편차 σ(H₀) = 0.28 km s⁻¹ Mpc⁻¹를 예측하며, 이는 플랑크+BAO+SNe를 뛰어넘는 성능을 보이며, 허블 장애를 해결하는 강력하고 정밀한 방법임을 입증한다.

ABSTRACT

In the next decades, the gravitational-wave (GW) standard siren observations and the neutral hydrogen 21-cm intensity mapping (IM) surveys, as two promising cosmological probes, will play an important role in precisely measuring cosmological parameters. In this work, we make a forecast for cosmological parameter estimation with the synergy between the GW standard siren observations and the 21-cm IM surveys. We choose the Einstein Telescope (ET) and the Taiji observatory as the representatives of the GW detection projects and choose the Square Kilometre Array (SKA) phase I mid-frequency array as the representative of the 21-cm IM experiments. In the simulation of the 21-cm IM data, we assume perfect foreground removal and calibration. We find that the synergy of the GW standard siren observations and the 21-cm IM survey could break the cosmological parameter degeneracies. The joint ET+Taiji+SKA data give $\sigma(H_0)=0.28\ { m km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$ in the $\Lambda$CDM model, $\sigma(w)=0.028$ in the $w$CDM model, which are better than the results of $Planck$+BAO+SNe, and $\sigma(w_0)=0.077$ and $\sigma(w_a)=0.295$ in the CPL model, which are comparable with the results of $Planck$+BAO+SNe. In the $\Lambda$CDM model, the constraint precision of $H_0$ and $\Omega_{ m m}$ is less than or rather close to 1%, indicating that the magnificent prospects for precision cosmology with these two promising cosmological probes are worth expecting.

연구 동기 및 목표

• 후기 우주론에서의 우주론적 매개변수 추정을 향상시키기 위해 중력파 표준 소리개와 21cm 강도 매핑 간의 상호보완적 잠재력을 조사하는 것.
• 서로 다른 두 가지 차세대 우주론적 탐사 수단을 조합하여 시스템적 오차가 상쇄되는 방식으로 허블 장애를 해결하는 것.
• 완벽한 외부 간섭 제거 및 21cm 데이터 校정을 가정한 현실적인 조건 하에서의 우주론적 제약 조건을 예측하는 것.
• ΛCDM, wCDM, 그리고 CPL 모델에서 H₀, w, w₀, wₐ의 성능을 평가하는 것.
• 중력파 표준 소리개와 21cm 강도 매핑의 조합이 개별 탐사 수단이나 플랑크+BAO+SNe보다 더 효과적으로 우주론적 매개변수의 비결정성을 해소할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 이집트 타워(ET)가 이진 중성자별(BNS)를 대상으로, 타이지가 거대 블랙홀 이중성계(MBHB)를 대상으로 중력파 표준 소리개 사건을 시뮬레이션한다.
• 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA) 단계 I 중주파수 어레이를 기반으로 외부 간섭 제거 및 校정이 완벽하다는 가정 하에 21cm 강도 매핑 스펙트럼을 모델링한다.
• ΛCDM, wCDM, 그리고 CPL 모델 하에서 우주론적 매개변수 제약 조건을 예측하기 위해 피셔 행렬 분석을 사용한다.
• 모의 데이터 생성을 위해 기준 우주론적 매개변수로 플랑크 2018 TT,TE,EE+lowE 결과를 설정한다.
• ET, 타이지, SKA의 피셔 행렬을 조합하여 H₀, Ωₘ, w, w₀, wₐ의 종합적 제약 조건을 계산한다.
• H₀ 및 다크 에너지 상태방정식 매개변수의 정밀도를 평가하고, 플랑크+BAO+SNe 기준 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력파 표준 소리개와 21cm 강도 매핑 간의 조합이 개별 탐사 수단보다 더 효과적으로 우주론적 매개변수의 비결정성을 해소할 수 있는가?
• RQ2 ΛCDM, wCDM, 그리고 CPL 모델에서 ET, 타이지, SKA 데이터를 종합적으로 활용할 경우 H₀, w, w₀, wₐ의 정밀도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ3 플랑크+BAO+SNe 조합과 비교해 볼 때 종합적 제약 조건의 정밀도는 어떻게 되며, 특히 허블 장애 해결에 있어 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고적도수(MBHB)와 저적도수(BNS) 표준 소리개를 모두 포함함으로써 우주론적 제약 조건이 얼마나 향상되는가?
• RQ5 표준 소리개와 함께 사용될 경우, 21cm IM 데이터가 거리-적도수 측정 결과와 경쟁 가능한 w(z) 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• ΛCDM 모델에서 종합적 ET+Taiji+SKA 데이터 예측으로 H₀의 표준편차 σ(H₀) = 0.28 km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출하였으며, 이는 플랑크+BAO+SNe의 정밀도를 초월한다.
• wCDM 모델에서 종합적 탐사 수단은 σ(w) = 0.028의 정밀도를 달성하였으며, 이는 플랑크+BAO+SNe 결과보다 더욱 날카롭다.
• CPL 모델에서 σ(w₀) = 0.077 및 σ(wₐ) = 0.295를 도출하였으며, 이는 플랑크+BAO+SNe의 제약 조건과 유사한 정도이다.
• ΛCDM 모델에서 H₀ 및 Ωₘ의 제약 조건은 1% 이하 또는 매우 가까운 수준이므로, 백분율 이하의 정밀도가 달성 가능함을 시사한다.
• 이 조합은 특히 H₀ 및 w(z)의 제약 조건을 향상시켜 우주론적 매개변수 간의 비결정성을 효과적으로 해소한다.
• 결과적으로 중력파 표준 소리개와 21cm 강도 매핑의 조합은 후기 우주론에 대해 독립적이고 정밀한 탐사 방법을 제공하며, 허블 장애 해결에 강력한 잠재력을 지닌다.