[论文解读] A path to precision cosmology: synergy between four promising late-universe cosmological probes

Peng-Ju Wu, Yue Shao+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2022

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一句话总结

本文提出一种协同方法，结合四种下一代宇宙学探针——21 cm强度映射（IM）、快速射电暴（FRB）、引力波标准尺（GW）和强引力透镜（SGL）——以实现精确宇宙学。通过模拟HIRAX、SKA、爱因斯坦望远镜和LSST的观测数据，研究显示，这些探针联合约束可将参数不确定性降至1%以下，其中在ΛCDM模型中σ(H₀) = 0.16 km s⁻¹ Mpc⁻¹，σ(Ωₘ) = 0.0022，显著优于CMB+BAO+SN的结果。

ABSTRACT

In the next decades, it is necessary to forge new late-universe cosmological probes to precisely constrain the Hubble constant and the equation of state of dark energy simultaneously. In this work, we show that the four typical late-universe cosmological probes, the 21 cm intensity mapping (IM), fast radio burst (FRB), gravitational wave (GW) standard siren, and strong gravitational lensing (SGL), are expected to be forged into useful tools in solving the Hubble tension and exploring dark energy. We propose that the synergy of them is rather important in cosmology. We simulate the 21 cm IM, FRB, GW, and SGL data based on the hypothetical observations of the Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment (HIRAX), the Square Kilometre Array (SKA), the Einstein Telescope (ET), and the Large Synoptic Survey Telescope (LSST), respectively. We find that the four probes show obviously different parameter degeneracy orientations in cosmological constraints, so any combination of them can break the parameter degeneracies and thus significantly improve the constraint precision. The joint 21 cm IM+FRB+GW+SGL data can provide the constraint errors of $σ(Ω_{ m m})=0.0022$ and $σ(H_0)=0.16\ m km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}$ in the $Λ$CDM model, which meet the standard of precision cosmology, i.e., the constraint precision of parameters is better than 1%. In addition, the joint data give $σ(w)=0.020$ in the $w$CDM model, and $σ(w_0)=0.066$ and $σ(w_a)=0.25$ in the $w_0w_a$CDM model, which are all better than the constraints obtained by the CMB+BAO+SN data. We show that the synergy between the four late-universe cosmological probes has magnificent prospects.

研究动机与目标

• 通过开发新的晚期宇宙宇宙学探针，解决早期与晚期宇宙测量之间持续存在的哈勃张力问题。
• 在CMB+BAO+SN数据无法达到的水平上，改进对暗能量状态方程参数的约束。
• 通过模拟其联合观测能力，研究四种新兴探针——21 cm IM、FRB、GW标准尺和SGL——在宇宙学中的潜力。
• 证明跨探针的退化打破可显著提升参数约束精度，优于单一探针或传统早期宇宙数据。

提出的方法

• 模拟使用氢强度与实时分析实验（HIRAX）的未来21 cm IM观测，覆盖红移0.8 < z < 2.5。
• 基于SKA巡天能力的预期，建立FRB色散量和红移分布的模型，以探测哈勃参数和物质密度。
• 预测爱因斯坦望远镜（ET）的引力波标准尺信号，以独立测量光度距离和H₀。
• 模拟大型巡天望远镜（LSST）的强引力透镜时间延迟（TD）和速度弥散（VD）数据，VD+TD联合用于打破退化。
• 在联合似然分析中整合全部四类探针数据，利用马尔可夫链蒙特卡洛方法约束ΛCDM、wCDM和w₀wₐCDM模型。
• 探索各探针间参数退化方向的取向，量化其互补依赖性如何增强约束精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 21 cm IM、FRB、GW标准尺和SGL的协同作用能否打破限制单一探针的参数退化？
• RQ2 这四类探针的联合数据在ΛCDM模型中，能在多大程度上实现H₀和Ωₘ的亚1%精度测量？
• RQ3 与CMB+BAO+SN数据相比，这些探针联合对暗能量参数（w、w₀、wₐ）的约束有何差异？
• RQ4 这些晚期宇宙探针能否在不依赖造父变星-超新星距离阶梯的情况下，有效解决4.2σ的哈勃张力？
• RQ5 在w₀wₐCDM模型中，各探针对整体约束精度的相对贡献如何，特别是在打破退化方面？

主要发现

• 联合21 cm IM+FRB+GW+SGL数据在ΛCDM模型中实现σ(H₀) = 0.16 km s⁻¹ Mpc⁻¹和σ(Ωₘ) = 0.0022，达到亚1%精度宇宙学标准。
• 联合暗能量参数约束优于CMB+BAO+SN：在wCDM中σ(w) = 0.020，在w₀wₐCDM中σ(w₀) = 0.066，σ(wₐ) = 0.25。
• SGL提供最紧的单个约束，σ(H₀) = 0.46 km s⁻¹ Mpc⁻¹，σ(Ωₘ) = 0.0038，主要因其在VD和TD中具有正交退化方向。
• 21 cm IM、FRB、GW和SGL表现出不同的参数退化方向，使其在联合使用时能有效打破退化。
• FRB与VD在约束Ωₘ方面表现相似，但对H₀无此效果；而GW与SGL在H₀约束方面极为有效，凸显其互补优势。
• 四类探针的协同作用使w₀和wₐ的不确定性分别比CMB+BAO+SN约束降低18%和14%。