[论文解读] Constraints on the cosmic distance duality relation with simulated data of gravitational waves from the Einstein Telescope

Tao Yang, R. F. L. Holanda+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用 6

一句话总结

本文利用模拟的引力波（GW）数据与当前的强引力透镜（SGL）测量结果，评估了未来爱因斯坦望远镜（Einstein Telescope）在高红移（z ≈ 3.6）探测引力波的潜力，以检验宇宙距离标度关系（CDDR）。研究发现，基于引力波的光度距离——对光子不守恒不敏感——可提供与当前SNe Ia + GRBs + SGL分析相媲美、且更具模型无关性与物理鲁棒性的CDDR破坏约束。

ABSTRACT

The cosmic distance duality relation (CDDR) has been test through several astronomical observations in the last years. This relation establishes a simple equation relating the angular diameter ($D_A$) and luminosity ($D_L$) distances at a redshift $z$, $D_LD_A^{-1}(1+z)^{-2}=η=1$. However, only very recently this relation has been observationally tested at high redshifts ($z \approx 3.6$) by using luminosity distances from type Ia supernovae (SNe Ia) and gamma ray bursts (GRBs) plus angular diameter distances from strong gravitational lensing (SGL) observations. The results show that no significant deviation from the CDDR validity has been verified. In this work, we test the potentialities of future luminosity distances from gravitational waves (GWs) sources to impose limit on possible departures of CDDR jointly with current SGL observations. The basic advantage of $D_L$ from GWs is being insensitive to non-conservation of the number of photons. By simulating 600, 900 and 1200 data of GWs using the Einstein Telescope (ET) as reference, we derive limits on $η(z)$ function and obtain that the results will be at least competitive with current limits from the SNe Ia $+$ GRBs $+$ SGLs analyses.

研究动机与目标

• 评估未来爱因斯坦望远镜引力波光度距离测量在高红移下检验宇宙距离标度关系（CDDR）的潜力。
• 比较基于引力波的CDDR约束灵敏度与当前利用SNe Ia、GRBs和SGL数据的观测方法。
• 评估引力波光度距离对光子不守恒不敏感的特性，是否可提供比电磁波方法更稳健的CDDR破坏检验。
• 量化使用600、900和1200个事件的模拟引力波数据集，对CDDR参数η(z)的预期约束。

提出的方法

• 从爱因斯坦望远镜模拟600、900和1200个引力波事件，以估计高红移（z ≈ 3.6）处的光度距离（DL）。
• 使用高斯过程从模拟的引力波数据中重建光度距离函数，确保模型无关的估计。
• 将模拟的基于引力波的DL测量结果与现有强引力透镜（SGL）系统中的角直径距离（DA）数据相结合。
• 使用η(z) = DL × DA⁻¹ × (1+z)⁻²参数化可能的CDDR破坏，并对η(z)测试三种不同的函数形式（P1、P2、P3）。
• 进行统计推断，推导η(z)的1σ置信区间，并将所得误差条与先前SNe Ia + GRBs + SGL分析的结果进行比较。
• 通过误差传播考虑SGL测量中的不确定性，使用公式σD = D√[4(δσ₀)² + (1−γ)²(δθE)²]，其中σD为距离比的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来爱因斯坦望远镜的引力波观测是否能在高红移（z ≈ 3.6）提供与当前CDDR约束相媲美甚至更优的约束？
• RQ2 模拟引力波数据得到的η(z)约束与当前SNe Ia + GRBs + SGL数据组合的约束相比如何？
• RQ3 引力波光度距离对光子不守恒的不敏感性，在多大程度上提升了CDDR检验的稳健性，相较于电磁波方法？
• RQ4 模拟的引力波事件数（600、900、1200）在与SGL数据结合时，是否显著影响CDDR约束的精度？

主要发现

• 模拟的基于引力波的η(z)约束至少与当前SNe Ia + GRBs + SGL分析的限制一样紧密，误差条根据η(z)函数形式缩小20%至90%不等。
• 对于P1函数，η₀的1σ误差条为0.035，比参考文献16中的方法A结果小40%。
• 对于P2函数，误差条比参考文献16中的方法B小30%，而P3函数的误差条则相近。
• 所有模拟数据集和η(z)参数化形式下，结果均在1σ置信水平内与CDDR有效性（η = 1）一致。
• SGL测量的不确定性主导整体误差预算，意味着提升SGL数据质量比增加引力波事件数更具影响力。
• 基于引力波的DL的根本优势在于其对光子不守恒的不敏感性，从而在观测到CDDR破坏时能更清晰地识别潜在的新物理。