[논문 리뷰] Testing Gravity using Void Profiles

Yan-Chuan Cai, Nelson Padilla외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 30.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 N-체 시뮬레이션을 통해 $f(R)$ 모델에서의 공극 프로파일을 이용해 수정 중력 이론을 시험한다. 일반 상대성 이론과 비교해 $f(R)$ 중력에서는 어둠마 은하공극이 더 공실하고 더 급격한 밀도 프로파일을 보인다. 공극의 약한 중력 렌즈 효과는 스펙트로스코픽 및 광도적 적색편이 조사의 조합이 필요하지만, 1 (Gpc/$h$)³ 부피에서 $|f_{R0}|=10^{-5}$와 $10^{-4}$ 는 각각 4와 8$\sigma$의 유의수준에서 일반 상대성 이론과 구별 가능하다.

ABSTRACT

We investigate void properties in $f(R)$ models using N-body simulations, focusing on their differences from General Relativity (GR) and their detectability. In the Hu-Sawicki $f(R)$ modified gravity (MG) models, the halo number density profiles of voids are not distinguishable from GR. In contrast, the same $f(R)$ voids are more empty of dark matter, and their profiles are steeper. This can in principle be observed by weak gravitational lensing of voids, for which the combination of a spectroscopic redshift and a lensing photometric redshift survey over the same sky is required. Neglecting the lensing shape noise, the $f(R)$ model parameter amplitudes $|f_{R0}|=10^{-5}$ and $10^{-4}$ may be distinguished from GR using the lensing tangential shear signal around voids by 4 and 8$σ$ for a volume of 1~(Gpc/$h$)$^3$. The line-of-sight projection of large-scale structure is the main systematics that limits the significance of this signal for the near future wide angle and deep lensing surveys. For this reason, it is challenging to distinguish $|f_{R0}|=10^{-6}$ from GR. We expect that this can be overcome with larger volume. The halo void abundance being smaller and the steepening of dark matter void profiles in $f(R)$ models are unique features that can be combined to break the degeneracy between $|f_{R0}|$ and $σ_8$.

연구 동기 및 목표

• 공극의 성질이 $f(R)$ 수정 중력 모델에서 일반 상대성 이론(GR)과 어떻게 다른지, 특히 어둠마 물질과 홀로 밀도 프로파일 측면에서 조사하기.
• 공극의 약한 중력 렌즈 효과를 통해 $f(R)$ 중력 이론의 영향을 탐지 가능성을 평가하고, 렌즈 분포의 관측 가능한 서명에 집중하기.
• $|f_{R0}|$와 $\sigma_8$ 사이의 딜레마를 공극의 빈도와 프로파일 측정을 조합함으로써 해결하기.
• 향후 렌즈 조사의 제한 요소가 되는 시선 방향 대규모 구조의 투영 효과가 미치는 영향 평가하기.
• 수정 중력 모델에서 홀로 기반 공극(은하에 의해 추적되는)이 실제 어둠마 물질 공극의 구조를 얼마나 정확히 반영하는지 확인하기.

제안 방법

• 일반 상대성 이론의 $\Lambda$CDM 배경과 동일한 천체물리적 매개변수를 가진 $|f_{R0}|=10^{-6}$, $10^{-5}$, $10^{-4}$를 가진 $f(R)$ 모델의 N-체 시뮬레이션 수행.
• 최소 질량 임계값 이상의 어둠마 물질 은하단을 식별하기 위해 AHF 코드를 사용하며, 각 모델에서 동일한 은하단 수밀도를 유지하고 샷 노이즈를 최소화하기 위해 조정.
• 은하단 분포에 적용된 개선된 구형 과밀도 알고리즘을 통해 공극을 정의하고, 구형 형태를 확보하기 위해 $\sigma_4$ (근접 이웃 거리의 분산) 기반 선택 기준을 사용.
• 공극 중심 주변의 은하단 수밀도 및 어둠마 물질 입자 밀도 프로파일을 측정하여 $f(R)$ 모델과 GR 모델 간 비교.
• 렌즈의 순접 분포 신호를 예측하기 위해 투영 질량 밀도를 사용하며, 시스템적 오차를 최소화하기 위해 스펙트로스코픽 적색편이(spec-z)와 광도적 적색편이(photo-z) 조사의 조합을 가정.
• 렌즈 신호의 유의수준을 평가하기 위해 $f(R)$ 렌즈 신호를 일반 상대성 이론과 비교하며, 렌즈 형태 노이즈를 무시하고 결과를 더 큰 조사 부피(예: BOSS, EUCLID)로 스케일링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠마 물질과 은하단 수밀도 프로파일이 $f(R)$ 중력 모델과 일반 상대성 이론 간에 어떻게 다를까?
• RQ2 공극의 약한 중력 렌즈 효과로 $|f_{R0}|=10^{-5}$와 $10^{-4}$를 일반 상대성 이론과 구별할 수 있으며, 통계적 유의수준은 어느 정도일까?
• RQ3 시선 방향의 대규모 구조 투영 효과가 향후 렌즈 조사에서 $f(R)$ 중력 이론의 영향 탐지 가능성을 어느 정도 제한하는가?
• RQ4 공극의 성질을 통해 $|f_{R0}|$와 $\sigma_8$ 사이의 딜레마를 어떻게 깰 수 있을까?
• RQ5 수정 중력 모델에서 은하에 의해 추적되는 홀로 기반 공극이 실제 어둠마 물질 공극의 구조를 얼마나 잘 반영하는가?

주요 결과

• 모든 $f(R)$ 모델에서 어둠마 물질 공극은 일반 상대성 이론보다 더 공실하고 어둠마 물질 밀도 프로파일이 더 급격한 경향이 있다. 다만 은하단 수밀도 프로파일은 유사하다.
• 공극 주변의 렌즈 순접 분포는 어둠마 물질 프로파일이 더 급격한 $f(R)$ 모델에서 $\sim r_{\rm void}$ 근처에서 더 강력한 신호를 보이며, 이는 탐지 가능한 서명을 제공한다.
• 렌즈 형태 노이즈를 무시할 경우, 1 (Gpc/$h$)³ 부피에서 $|f_{R0}|=10^{-5}$와 $10^{-4}$ 는 각각 4$\sigma$와 8$\sigma$의 유의수준에서 일반 상대성 이론과 구별 가능하다.
• 시선 방향 대규모 구조의 투영 효과로 인해 $|f_{R0}|=10^{-6}$ 는 현재의 조사 부피로는 일반 상대성 이론과 구별하기 어려운 편이다.
• 공극 빈도(큰 공극에서 $f(R)$ 모델에서 더 적음)와 더 급격한 공극 프로파일의 조합이 $|f_{R0}|$와 $\sigma_8$ 사이의 딜레마를 깰 수 있다.
• 미래의 EUCLID 조사(20 (Gpc/$h$)³)는 유의수준을 4.4배 향상시켜 $f(R)$ 중력 이론의 신호 탐지 능력을 향상시킬 수 있다.