[论文解读] Cosmology Intertwined I: Perspectives for the Next Decade

Eleonora Di Valentino, Luis A. Anchordoqui+90 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2020

History and Developments in Astronomy被引用 6

一句话总结

本文概述了未来十年宇宙学的全面路线图，倡导协同使用下一代设施——如LSST、Euclid、罗马空间望远镜、CMB-S4、SKA以及引力波探测器——以解决宇宙学参数中的紧迫矛盾，特别是H₀和S₈差异。它强调，结合高精度测量将检验ΛCDM模型的极限，并探索标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

The standard $Λ$ Cold Dark Matter cosmological model provides an amazing description of a wide range of astrophysical and astronomical data. However, there are a few big open questions, that make the standard model look like a first-order approximation to a more realistic scenario that still needs to be fully understood. In this Letter of Interest we will list a few important goals that need to be addressed in the next decade, also taking into account the current discordances present between the different cosmological probes, as the Hubble constant $H_0$ value, the $σ_8 - S_8$ tension, and the anomalies present in the Planck results. Finally, we will give an overview of upgraded experiments and next-generation space-missions and facilities on Earth, that will be of crucial importance to address all these questions.

研究动机与目标

• 解决宇宙学参数中的持续矛盾，特别是H₀与σ₈–S₈差异，这些矛盾对ΛCDM模型构成挑战。
• 识别将实现H₀子1%精度以及对暗能量、暗物质和修正引力改进约束的关键观测与实验设施。
• 概述一种协调的多探针方法，结合本地距离阶梯、CMB、弱引力透镜、BAO、21 cm巡天和引力波标准 sirens，以检验标准宇宙学模型。
• 探讨LSST、Euclid、Roman和CMB-S4的未来数据如何通过Nₑff和光谱畸变检测轻度残留物和非标准物理。
• 评估FASER和LHC等粒子物理实验在探测超弱相互作用暗物质和轻度残留物方面的潜力。

提出的方法

• 利用JWST和ELTs的本地距离阶梯，通过时延类星体和标准烛光实现H₀的1%精度。
• 利用LIGO-Virgo的引力波标准 sirens 独立测量H₀，五年内精度达2%，十年内达1%。
• 利用CMB-S4将ΔNₑff的约束控制在95%置信水平≤0.06，从而检测标准模型之外的轻度残留物。
• 结合LSST、Euclid和罗马空间望远镜的数据，将宇宙学参数约束提升十倍，以区分缓解张力的模型。
• 利用平方公里阵列（SKA）绘制暗时代至z ~ 2的中性氢21 cm线，通过大尺度结构探测暗物质和暗能量。
• 利用CMB光谱畸变和空洞统计（约10⁵个空洞）通过几何和团聚探测手段检验暴胀、非标准物理和引力模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代宇宙学巡天能否解决本地测量与CMB基测量之间的H₀矛盾？
• RQ2 在暗能量、暗物质或引力中引入新物理，能在多大程度上缓解S₈–σ₈矛盾？
• RQ3 CMB-S4能否检测到Nₑff与标准值3.046的偏离，从而揭示标准模型之外的新轻度残留物？
• RQ4 LSST、Euclid和罗马空间望远镜的组合能否将宇宙学参数约束提升十倍，从而实现模型区分？
• RQ5 来自黑洞双星的引力波标准 sirens 能否在十年内提供精度达1%的竞争性、独立H₀测量？

主要发现

• CMB-S4将实现95%置信水平下ΔNₑff ≤ 0.06的约束，即使这些轻度残留物在实验室中无法直接探测，也能实现其检测。
• LSST、Euclid和罗马空间望远镜的组合将使宇宙学参数约束提升十倍，从而能够清晰区分缓解当前张力的模型。
• LIGO-Virgo的引力波标准 sirens 预计将在五年内实现H₀的2%精度，十年内实现1%精度。
• 平方公里阵列（SKA）将探测到红移z ~ 2以内约10⁹个星系的21 cm线，从而实现对暗能量和修正引力模型的检验。
• 未来巡天将探测到约10⁵个宇宙空洞，从而实现对膨胀历史的几何约束，并区分不同引力模型。
• FASER和LHC实验将搜寻超弱相互作用粒子，为暗物质和轻度残留物提供互补约束。