[논문 리뷰] Prospects of testing late-time cosmology with weak lensing of gravitational waves and galaxy surveys

Anna Balaudo, Alice Garoffolo외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 12.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 약한 렌즈 효과를 겪는 중력파(GW-WL)와 은하 설문조사를 조합하여 만능론적 시대의 우주론을 시험할 잠재력을 조사한다. 특히 수정 중력 및 어둠센 에너지 모델을 중심으로 한다. 연구 결과, GW-WL은 비-$\Lambda$CDM 모델의 매개변수에 대해 정확도를 두 배로 높일 수 있으며, 최적의 경우 백분율 수준 이하의 제약 조건을 도출할 수 있음을 보여주며, 표준 사린과 대규모 구조 설문조사와의 보완적 탐사 수 Mittel로 기능한다.

ABSTRACT

We investigate the synergy of upcoming galaxy surveys and gravitational wave (GW) experiments in constraining late-time cosmology, examining the cross-correlations between the weak lensing of gravitational waves (GW-WL) and the galaxy fields. Without focusing on any specific GW detector configuration, we benchmark the requirements for the high-precision measurement of cosmological parameters by considering several scenarios, varying the number of detected GW events and the uncertainty on the inference of the source luminosity distance and redshift. We focus on $Λ$CDM and scalar-tensor cosmologies, using the Effective Field Theory formalism as a unifying language. We find that, in some of the explored setups, GW-WL contributes to the galaxy signal by doubling the accuracy on non-$Λ$CDM parameters, allowing in the most favourable scenarios to reach even percent and sub-percent level bounds. Though the most extreme cases presented here are likely beyond the observational capabilities of currently planned individual GW detectors, we show nonetheless that - provided that enough statistics of events can be accumulated - GW-WL offers the potential to become a cosmological probe complementary to LSS surveys, particularly for those parameters that cannot be constrained by other GW probes such as standard sirens.

연구 동기 및 목표

• 향후 은하 설문조사와 중력파 실험 간의 상호보완적 잠재력을 평가하여 만능론적 시대의 우주론을 제약 조건에 둔다.
• 약한 렌즈 효과를 겪는 중력파(GW-WL)와 은하 분포 간의 상관관계가 우주론적 매개변수 제약 조건에 어떻게 향상되는지 평가한다.
• 중력파 이벤트 통계와 거리/적색이동 추정 불확실성의 변화가 우주론적 매개변수 추정에 미치는 영향을 조사한다.
• 표준 사린과 대규모 구조 설문조사와의 보완적 탐사로서 GW-WL의 효과성을 시험하며, 특히 다른 중력파 방법으로는 제약 조건을 도출하기 어려운 매개변수에 초점을 맞춘다.
• 효과적 장 이론 형식을 사용하여 스칼라-텐서 이론과 $\Lambda$CDM 확장 모델을 제약 조건에 둘 수 있는 가능성 여부를 판단한다.

제안 방법

• 어둠센 에너지의 효과적 장 이론(EFT)을 사용하여 스칼라-텐서 중력 모델을 통합하고 분석하며, 히온데스키 이론을 포함한다.
• 약한 렌즈 효과를 겪는 중력파와 은하 과잉 밀도 분포 간의 상관관계를 모델링하여 우주론적 정보를 추출한다.
• 검출된 중력파 이벤트 수와 광도 거리 및 적색이동 추정의 불확실성을 변화시켜 우주론적 제약 조건을 벤치마킹한다.
• 피셔 행렬 예측을 수행하여 다양한 시나리오 하에서 우주론적 매개변수 추정의 정밀도를 추정한다.
• 예를 들어 $z_0 = 0.5, 1.0, 1.5$와 같은 다양한 적색이동 분포를 가진 중력파 소스에 대해 우주론적 제약 조건을 비교하여 소스 분포에 대한 민감도를 평가한다.
• GW-WL이 $\Lambda$CDM 및 스칼라-텐서 모델에서 $w_0$, $w_a$, $\Omega_0$, $\gamma_2^0$ 등의 매개변수를 제약 조건에 둘 때의 기여도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 설문조사만으로는 제약 조건을 도출하는 데 비해, 중력파의 약한 렌즈 효과와 은하 설문조사 간의 상관관계가 비-$\Lambda$CDM 매개변수에 대해 어떤 방식으로 제약 조건을 향상시키는가?
• RQ2 GW-WL이 우주론적 매개변수에 대해 백분율 수준 이하의 제약 조건을 도출하기 위해 필요한 중력파 이벤트 통계와 거리 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 우주론적 제약 조건은 중력파 소스의 적색이동 분포에 얼마나 민감한가, 특히 표준 사린과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 시나리오에서 GW-WL이 표준 사린과 같은 다른 중력파 기반 우주론적 탐사 수단보다 뛰어나거나 보완적으로 기능하는가?
• RQ5 전자기파 설문조사로는 어렵게 제약 조건을 도출할 수 있는 수정 중력 모델의 디제너러시를 GW-WL이 어느 정도 깨뜨릴 수 있는가?

주요 결과

• 유리한 시나리오에서 GW-WL은 비-$\Lambda$CDM 매개변수의 정확도를 두 배로 높일 수 있으며, 백분율 수준에서 조차도 하위백분율 수준의 제약 조건을 도출할 수 있다.
• 우주론적 제약 조건의 가장 큰 향상은 중력파 소스와 은하의 적색이동 분포가 상당한 겹침을 보일 때 발생하며, $z_0 = 1.5$일 경우 고적색이동 소스 통계가 높아 가장 뛰어난 성능을 보인다.
• 반면 $z_0 = 0.5$의 경우 은하 분포와의 겹침이 열악하여 고적색이동에서 특히 제약 조건이 루즈해진다.
• $\sigma_{d_L} = 1\%$일 경우, GW-WL은 중력파 이벤트 수에 관계없이 $\Omega_0$와 $\gamma_2^0$의 제약 조건에 상당한 기여를 하며, 낮은 이벤트 수에서도 강건함을 보인다.
• 소스 분포의 영향은 모델 I에서 모델 II보다 더 두드러지며, $z_0 = 0.5$일 경우 $w_a$와 $\Omega_0$의 제약 조건 차이가 $z_0 = 1.5$일 경우와 비교해 최대 10%까지 발생한다.
• 3세대 검출기(예: ET, CE)는 GW-WL이 경쟁 가능해지기 위한 충분한 통계를 확보하지 못할 수 있으나, 향후 4세대 검출기는 GW-WL을 실현 가능하고 보완적인 우주론적 탐사 수단으로 만들 수 있다.