[论文解读] Constraints on the time variation of the speed of light using Strong lensing

Seokcheon Lee|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 4

一句话总结

本研究利用161个星系尺度强引力透镜（SGL）系统，通过透镜质量模型和宇宙学距离关系，约束meVSL模型中光速的变化。结果表明，在Planck对Ωₘ₀的先验下，meVSL参数b为负值（b < 0），意味着过去光速更快、引力更强；而使用WMAP先验时，结果在1-σ范围内为零，凸显了对先验假设的敏感性，并强调需要更多SGL数据。

ABSTRACT

Due to the recent growth of discoveries of strong gravitational lensing (SGL) systems, one can statistically study both lens properties and cosmological parameters from 161 galactic scale SGL systems. We analyze meVSL model with the velocity dispersion of lenses by adopting the redshift and surface mass density depending power-law mass model. Analysis shows that meVSL models with various dark energy models including $Λ$CDM, $ω$CDM, and CPL provide the negative values of meVSL parameter, $b$ when we put the prior to the $Ω_{m 0}$ value from Planck. These indicate the faster speed of light and the stronger gravitational force in the past. However, if we adopt the WMAP prior on $Ω_{m0}$, then we obtain the null results on $b$ within 1-$σ$ CL for the different dark energy models.

研究动机与目标

• 利用强引力透镜（SGL）系统约束光速的时间变化。
• 研究不同宇宙学先验（Planck与WMAP）对推断的meVSL参数b的影响。
• 评估SGL数据与暗能量模型（ΛCDM、ωCDM、CPL）中光速和引力耦合常数变化的一致性。
• 评估基于SGL的宇宙学约束中的统计效能与系统性效应。

提出的方法

• 为透镜系统采用依赖红移和表面质量密度的幂律质量模型。
• 利用角爱因斯坦半径（θ_E）和恒星速度弥散（σ_DM）推导可观测量比值 R^obs = (c₀² θ_E)/(4π σ_DM²)。
• 将 R^obs 与基于meVSL宇宙学模型的理论 R^th 进行比较，后者使用共动距离和角直径距离推导。
• 通过χ²最小化拟合宇宙学参数，包括meVSL参数b，适用于不同的暗能量模型（ΛCDM、ωCDM、CPL）。
• 对Ωₘ₀施加来自WMAP和Planck的先验，以评估分析中先验的敏感性。
• 使用161个SGL系统，其红移、速度弥散和像分离均已测量，用于约束模型参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 强引力透镜数据是否为meVSL模型中光速的时间变化提供了证据？
• RQ2 对Ωₘ₀的不同先验（来自WMAP与Planck）如何影响meVSL参数b的推断值？
• RQ3 在不同暗能量模型（ΛCDM、ωCDM、CPL）下，b的约束是否一致？
• RQ4 与超新星或增长率数据的结果相比如何？
• RQ5 基于SGL的光速变化约束在统计上具有多大显著性和稳健性？

主要发现

• 在Planck对Ωₘ₀的先验下，meVSL参数b被约束为负值（CPL模型中b ≈ -0.339 ± 0.091），表明早期宇宙中光速更快、引力更强。
• 在ΛCDM和ωCDM模型下使用Planck先验时，b同样为负值（分别为b ≈ -0.95 ± 0.054 和 -0.944 ± 0.054），与早期宇宙中光速更快的结论一致。
• 使用WMAP对Ωₘ₀的先验时，所有暗能量模型下b在1-σ置信区间内均与零一致，表明光速无显著时间变化。
• 结果对Ωₘ₀先验的选择高度敏感，b的符号在使用WMAP或Planck先验时相反。
• 分析表明，当前SGL数据本身不足以在无Ωₘ₀强先验的情况下可靠约束b，凸显了对更大、更精确SGL样本的需求。
• 结果与增长率和超新星数据的约束不一致，提示SGL分析中可能存在系统性效应或模型依赖性。