[论文解读] Cosmic voids: a novel probe to shed light on our Universe

Alice Pisani, Elena Massara+27 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 100被引用 44

一句话总结

本文主张将宇宙空洞作为一种强大且互补的探针来约束暗能量、修正引力、中微子质量和星系演化，突显观测量和调查需求以最大化空洞科学。

ABSTRACT

Cosmic voids, the less dense patches of the Universe, are promising laboratories to extract cosmological information. Thanks to their unique low density character, voids are extremely sensitive to diffuse components such as neutrinos and dark energy, and represent ideal environments to study modifications of gravity, where the effects of such modifications are expected to be more prominent. Robust void-related observables, including for example redshift-space distortions (RSD) and weak lensing around voids, are a promising way to chase and test new physics. Cosmological analysis of the large-scale structure of the Universe predominantly relies on the high density regions. Current and upcoming surveys are designed to optimize the extraction of cosmological information from these zones, but leave voids under-exploited. A dense, large area spectroscopic survey with imaging capabilities is ideal to exploit the power of voids fully. Besides helping illuminate the nature of dark energy, modified gravity, and neutrinos, this survey will give access to a detailed map of under-dense regions, providing an unprecedented opportunity to observe and study a so far under-explored galaxy population.

研究动机与目标

• 论证宇宙空洞是对宇宙学和星系形成具有敏感性且正交的探针。
• 识别与空洞相关的观测量（如红移空间畸变、弱透镜等），以约束新物理。
• 概述 Astro2020 以最大化空洞科学的调查设计要求。
• 强调 utilize 空洞在即将到来的数据中所需的理论和模拟进展。

提出的方法

• 描述空洞如何追踪结构增长并通过红移空间畸变实现增长率 f(z) 的测量。
• 用空洞堆栈的 Alcock-Paczyński 测试作为暗能量与几何的探针。
• 讨论空洞透镜效应及密度/速度轮廓作为修正引力的测试。
• 通过空洞统计及其相对于 CDM 的偏差来讨论中微子质量敏感性。
• 提出调查策略（体积 vs. 示踪体密度）以优化空洞检测和分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 空洞周围的红移空间畸变如何约束增长率 f/b 并检验广义相对论？
• RQ2 通过 Alcock-Paczyński 测试，空洞在 Omega_m 和暗能量参数方面在多大程度上能提供有竞争力甚至优越的约束？
• RQ3 中微子质量和星系偏差如何影响空洞观测量，空洞如何告知中微子质量约束？
• RQ4 什么样的调查设计（体积、示踪体密度、光谱性与成像）能在未来十年内最大化空洞科学？
• RQ5 需要哪些理论模型和模拟来对当前及未来数据中的空洞统计进行鲁棒解释？

主要发现

• 低密度区域的空洞动力学提供对结构增长和引力的鲁棒探测。
• 基于空洞的 Alcock-Paczyński 测量可为宇宙学提供高精度约束，在 AP 分析中空洞形状有潜在的 1% 精度。
• 当前的空洞 RSD 分析已在 Omega_m 与 f/b 上提供具有竞争力的约束，例如来自 SDSS BOSS 数据的分别为 10% 和 12% 。
• 中微子和暗能量在空洞大小函数、密度与速度轮廓以及空洞聚类中留下独特信号，可被未来调查所利用。
• 空洞观测与高密度分析互为补充，能够绘制低密度星系群体及其演化。
• 大体积与高示踪体密度调查的组合（如 WFIRST、DESI、SPHEREx、Euclid 的扩展）将最大化空洞科学。