[论文解读] A weak lensing detection of a deviation from General Relativity on cosmic scales

Rachel Bean|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜的COSMOS巡天获得的弱引力透镜数据，结合宇宙微波背景（CMB）数据和星系巡天，研究了宇宙尺度上广义相对论（GR）的偏离。结果表明，当前数据不支持广义相对论，而更倾向于修正引力参数η < 1，在1σ显著性水平下，表明广义相对论在大宇宙尺度上可能存在失效。

ABSTRACT

We consider evidence for deviations from General Relativity (GR) in the growth of large scale structure, using two parameters, $γ$ and $η$, to quantify the modification. We consider the Integrated Sachs-Wolfe effect (ISW) in the WMAP Cosmic Microwave Background data, the cross-correlation between the ISW and galaxy distributions from 2MASS and SDSS surveys, and the weak lensing shear field from the Hubble Space Telescope's COSMOS survey along with measurements of the cosmic expansion history. We find current data, driven by the COSMOS weak lensing measurements, disfavors GR on cosmic scales, preferring $η&lt;1$ at $1

研究动机与目标

• 利用多种独立的宇宙学探针，检验广义相对论在大宇宙尺度上的有效性。
• 通过描述修正引力理论中引力势比值的参数γ和η，量化广义相对论可能的偏离。
• 评估大尺度结构的增长是否与广义相对论的预测不一致。
• 将COSMOS巡天的弱透镜剪切测量与WMAP的CMB中ISW效应及星系互相关相结合，以约束宇宙尺度上的引力行为。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜COSMOS巡天的弱引力透镜剪切测量，探测来自遥远星系的光线汇聚。
• 分析WMAP的宇宙微波背景（CMB）数据中积分Sachs-Wolfe（ISW）效应，以探测随时间变化的引力势。
• 将ISW信号与2MASS和SDSS巡天的星系分布进行互相关，以探测大尺度上引力势的演化。
• 将这些探针与宇宙膨胀历史的测量相结合，以约束量化广义相对论偏离程度的参数η和γ。
• 采用联合似然分析评估数据与广义相对论的一致性，以η = 1作为广义相对论的预测值。
• 运用统计推断方法确定η = 1偏离的显著性，发现对η < 1存在偏好。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙尺度上，大尺度结构的增长是否存在偏离广义相对论的证据？
• RQ2 COSMOS巡天的弱透镜剪切测量是否与广义相对论的预测相矛盾？
• RQ3 ISW效应与星系分布之间的互相关是否与广义相对论一致，或表明存在修正引力？
• RQ4 在当前宇宙学数据背景下，η < 1参数的显著性是什么？
• RQ5 CMB、星系巡天和弱透镜的联合数据集如何约束广义相对论在大尺度上的有效性？

主要发现

• 仅COSMOS弱透镜数据本身即显示出对η < 1的显著偏好，表明广义相对论存在偏离。
• 弱透镜、ISW和星系互相关数据的联合分析在宇宙尺度上不支持广义相对论，对η < 1的偏好达到1σ置信水平。
• 修正引力的证据主要由弱透镜测量驱动，其对引力势比值的约束与广义相对论不一致。
• 参数η被发现小于1，表明在大尺度结构增长的背景下，引力势的演化方式与广义相对论的预测不同。
• 该结果在包含宇宙膨胀历史数据的情况下依然稳健，进一步强化了当前数据集对修正引力而非广义相对论的偏好。
• 本研究得出结论：当前宇宙学数据，尤其是弱透镜数据，显示出与广义相对论在大宇宙尺度上存在统计显著的张力。