[论文解读] Cosmology and the Early Universe

B. S. Sathyaprakash, Enis Belgacem+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 100被引用 4

一句话总结

本白皮书概述了第三代引力波探测器（如爱因斯坦望远镜和宇宙探索者）如何通过实现对暗能量和宇宙学参数的精确标准 sirens 测量，彻底改变宇宙学，探测修正引力理论，并探测早期宇宙中的原初引力波背景。研究表明，3G 探测器可将宇宙学参数估计的不确定性控制在 1–2% 以内，为电磁标准烛光提供一种独立且对系统误差不敏感的替代方案。

ABSTRACT

This Astro-2020 White Paper deals with what we might learn from future gravitational wave observations about the early universe phase transitions and their energy scales, primordial black holes, Hubble parameter, dark matter and dark energy, modified theories of gravity and extra dimensions.

研究动机与目标

• 评估第三代引力波探测器（如爱因斯坦望远镜、宇宙探索者）在宇宙学和基础物理中的变革潜力。
• 评估双黑洞和中子星并合产生的标准 sirens 如何提供对宇宙学参数的独立、高精度测量。
• 研究原初引力波背景的可探测性及其对早期宇宙物理的启示。
• 探索未来探测器通过引力波传播和光度距离中的偏差对修正引力理论的敏感性。
• 解决在探测原初信号时，来自天体物理背景的前景信号减除问题。

提出的方法

• 利用并合双星的引力波振幅和频率演化，直接推断光度距离，无需宇宙距离阶梯。
• 建立天体物理群体（如双星并合、核心塌缩）产生的随机引力波背景模型，并评估其对探测原初信号的影响。
• 使用 3G 探测器灵敏度模拟高达红移 z ~ 10 的标准 sirens 检测，假设基准 ΛCDM 宇宙学模型。
• 应用统计方法，从包含 1000 个具有电磁对应体的双中子星事件的模拟星表中重建宇宙学参数（如 Ω_M, w₀）。
• 分析修正引力理论（如 Horndeski 和非局域引力）引起的引力波光度距离偏差，这些理论会改变波振幅随红移的衰减方式。
• 分析在随机背景中，宇宙扰动效应（如积分萨克斯-沃尔夫效应和引力透镜）的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 第三代引力波探测器能否在测量暗能量状态方程 w₀ 和物质密度 Ω_M 等宇宙学参数时达到 1–2% 的不确定性？
• RQ2 双星并合产生的天体物理前景在多大程度上可被减除，以揭示原初引力波背景？
• RQ3 修正引力理论如何改变引力波传播和光度距离？3G 探测器能否区分这些效应与广义相对论的差异？
• RQ4 未来的引力波观测可通过原初随机背景对早期宇宙物理（如暴胀或相变）施加何种约束？
• RQ5 与电磁标准烛光相比，标准 sirens 是否能提供一种独立且对系统误差不敏感的暗能量探测手段？

主要发现

• 爱因斯坦望远镜和宇宙探索者等第三代探测器，通过约 1000 个具有电磁对应体的双中子星事件，可将宇宙学参数的测量不确定性控制在 1–2% 以内。
• 3G 探测器的标准 sirens 可探测至红移 z ~ 10 的宇宙学距离，显著超越标准烛光的探测极限。
• 天体物理双星产生的随机背景可被足够精确地减除，从而实现对幅度为 Ω_GW ~ 10^−13 的原初背景的探测。
• 通过测量引力波光度距离与电磁光度距离之间的偏差，可探测改变引力波振幅随红移衰减的修正引力理论。
• 未来探测器还可能通过积分萨克斯-沃尔夫效应和引力透镜等效应，在随机背景中探测到修正引力的信号。
• 双星并合产生的天体物理前景强度远超大多数宇宙学背景，达到数个数量级，但减除后的残余前景仍是原初信号探测的关键挑战。