[论文解读] Direct detection of the cosmic expansion: the redshift drift and the flux drift

Krzysztof Bolejko, Chengyi Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 18被引用 9

一句话总结

本文提出，通过结合红移漂移与流量漂移，可显著增强对宇宙膨胀的直接探测，这两者均可在未来十年内利用下一代望远镜进行测量。研究证明，若射电源流量稳定性达到 ΔF/F ∼ 10⁻⁶，SKA1-mid 阵列有望在2030年代中期实现对这些效应的探测，从而在极大望远镜（ELT）或完整SKA投入使用之前，直接探测宇宙加速膨胀。

ABSTRACT

The redshift drift, the change of cosmological redshift with time, is a direct consequence of the expansion of the Universe. Thus the measurement of the cosmological redshift drift will offer a direct test of our models of cosmology. The magnitude of the effect is very small, i.e. the spectral shift is of order of $10^{-10} - 10^{-9}$ over the period of a decade, but the next generation facilities such as ELT and SKA will be able to directly detect the expansion of our Universe by the year 2040. In this paper we focus on detectebility of this effect, including strategies of overcoming the kinematic contamination of the cosmological signal. We also show that the redshift drift directly impacts the change of flux. Thus apart from the redshift drift, measurements of the flux drift will provide an additional tool of detecting the expansion of the universe, including its acceleration. We discuss the strategies of detecting the flux drift and show that by including the flux drift signal to the redshift drift signal we boost the chances of a direct detection of the expansion of the Universe. We show that if only the stability of flux is at the level of $ΔF/F \sim 10^{-6}$ then the SKA1-mid Array should be able to detect these effects, before the ETL and the full SKA. Thus, by including the flux drift into the SKA1-mid Array's analysis pipeline, we could be able to provide by mid-2030s a direct evidence of the expansion of the universe including its accelerating phase.

研究动机与目标

• 评估利用下一代望远镜探测宇宙红移漂移与流量漂移的可检测性。
• 解决可能掩盖宇宙红移漂移信号的运动学污染问题。
• 探讨利用流量漂移作为宇宙膨胀互补探测手段的可行性。
• 评估SKA1-mid阵列是否能在极大望远镜（ELT）或完整SKA之前实现宇宙膨胀的直接探测。
• 量化流量稳定性对宇宙学参数约束的影响，特别是对暗能量的影响。

提出的方法

• 基于FLRW度规推导理论红移漂移，表达为 ẋ = H₀(1+z) − H(z)，其中 H(z) 依赖于 Ωₘ 和 Ω_Λ。
• 使用相对论多普勒频移和光行差效应，至 β 的一阶近似，对地球运动引起的运动学污染进行建模。
• 提出利用稳定、高红移的射电源测量流量漂移，其信号由流量-距离关系的时间导数推导得出。
• 将红移漂移与流量漂移信号整合进联合分析流程，以提升探测灵敏度。
• 使用蒙特卡洛模拟与费舍尔矩阵预测，估算对暗能量状态方程参数 w₀ 与 wₐ 的约束。
• 基于所需流量稳定性（ΔF/F）评估探测阈值，并在SKA1-mid、ELT与完整SKA之间进行性能比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前及未来的射电望远镜能否探测到流量漂移？需要达到何种水平的流量稳定性？
• RQ2 与仅使用红移漂移相比，结合红移漂移与流量漂移如何提升宇宙膨胀探测的可检测性？
• RQ3 地球轨道运动引起的运动学污染对红移漂移测量有何影响？如何缓解？
• RQ4 在何种流量稳定性水平（ΔF/F）下，引入流量漂移能显著改善对暗能量参数的约束？
• RQ5 在足够流量稳定性的假设下，SKA1-mid阵列能否在极大望远镜（ELT）或完整SKA之前探测到宇宙膨胀？

主要发现

• 红移漂移信号在 z ∼ 1.2 处最强，并在高红移时逐渐变为负值，10年基线内幅度约为 ∼10⁻¹⁰。
• 若射电源流量稳定性达到 ΔF/F ∼ 10⁻⁶，SKA1-mid 阵列有望在2030年代中期探测到红移漂移与流量漂移效应。
• 流量漂移探测可显著改善对暗能量状态方程（w₀, wₐ）的约束，当 ΔF/F ∼ 10⁻⁵ 时，信息量指标（Figure of Merit）提升7.5倍；当 ΔF/F ∼ 10⁻⁶ 时，提升达1,400倍。
• 即使在 ΔF/F ∼ 10⁻⁴ 的情况下，引入流量漂移仍能使信息量指标相比仅使用红移漂移提升2倍。
• 必须将地球轨道运动引起的运动学污染建模至亚厘米/秒的精度，以避免掩盖宇宙学信号。
• 流量漂移信号与光度距离的时间导数直接相关，对宇宙加速敏感，因此是极具价值的互补探测手段。