[论文解读] Extragalactic Proper Motions: Gravitational Waves and Cosmology

Jeremy Darling, Alexandra Truebenbach+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用 2

一句话总结

本文提出利用下一代甚大阵列（ngVLA）以前所未有的精度测量全局星系际自行运动，从而探测引力波、各向异性膨胀和特殊速度等宇宙学信号。由于每个源的精度更高，尽管源样本较小，ngVLA在大多数信号上预计将超越盖亚（Gaia）的天体测量灵敏度，尤其是在E模和B模矢量球谐模式方面。

ABSTRACT

Extragalactic proper motions can reveal a variety of cosmological and local phenomena over a range of angular scales. These include observer-induced proper motions, such as the secular aberration drift caused by the solar acceleration about the Galactic Center and a secular extragalactic parallax resulting from our motion with respect to the cosmic microwave background rest frame. Cosmological effects include anisotropic expansion, transverse peculiar velocities induced by large scale structure, and the real-time evolution of the baryon acoustic oscillation. Long-period gravitational waves can deflect light rays, producing an apparent quadrupolar proper motion signal. We review these effects, their imprints on global correlated extragalactic proper motions, their expected amplitudes, the current best measurements (if any), and predictions for Gaia. Finally, we describe a possible long-baseline ngVLA program to measure or constrain these proper motion signals. In most cases, the ngVLA can surpass or complement the expected end-of-mission performance of the Gaia mission.

研究动机与目标

• 识别并量化与宇宙学及局部动力学现象相关的全局星系际自行运动信号。
• 评估ngVLA在比当前或计划中的任务更高的精度下探测或约束这些信号的潜力。
• 开发一种使用矢量球谐函数（VSH）分析相关自行场的框架，以分离E模和B模信号。
• 评估ngVLA测量观测者诱导效应（如长期光行差漂移和长期视差）的能力。
• 探索ngVLA通过长基线天体测量在探测原初引力波和大尺度结构中的作用。

提出的方法

• 使用矢量球谐函数（VSH）建模星系际自行运动信号，将其分解为无旋（curl-free）E模和无散（divergenceless）B模分量。
• 模拟每种信号类型的预期振幅和角功率谱，包括长期光行差漂移、长期视差、旋转、各向异性膨胀、引力波和BAO演化。
• 将当前VLBA的天体测量精度（±10 µas yr⁻¹）按比例扩展，以预测ngVLA性能，假设对10,000个紧凑射电源进行10年观测。
• 通过√N缩放考虑由喷流引起的内在自行噪声，假设收集面积和基线分辨率得到改善。
• 将预测的ngVLA性能与盖亚任务结束时的灵敏度进行比较，重点关注信噪比和检测阈值。
• 评估探测低振幅信号（例如，ΩGW < 10⁻⁵）和通过长期视差实现无标准烛光阶梯的宇宙学研究的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 ngVLA能否以比盖亚更高的精度探测太阳系绕银河系中心加速引起的长期光行差漂移？
• RQ2 长期视差在多大程度上可用于在不依赖标准烛光阶梯的情况下测量本地宇宙的几何距离？
• RQ3 ngVLA能否通过其在星系际自行场上的印记约束原初引力波背景？
• RQ4 ngVLA在探测大尺度结构引起的特殊速度方面，其天体测量精度与盖亚相比如何？
• RQ5 ngVLA对来自可能旋转宇宙或引力波背景的B模信号的灵敏度如何？

主要发现

• ngVLA预计对长期光行差漂移的信噪比可达50σ，显著超过盖亚预测的10σ。
• 对于长期视差，ngVLA可在78 µarcsec yr⁻¹ Mpc⁻¹的E模偶极信号上实现约10σ的检测，从而实现本地宇宙的距离测量。
• ngVLA可将旋转引起的B模偶极信号约束在< 0.1 µas yr⁻¹以内，比当前限制提高5倍。
• ngVLA预计可检测到各向异性膨胀水平低于H₀的0.7%，其灵敏度超过盖亚对该信号的探测能力。
• 对于引力波背景，ngVLA可将能量密度约束在ΩGW < 4 × 10⁻⁴以内，优于盖亚的限制ΩGW < 6.4 × 10⁻³。
• ngVLA对BAO演化的灵敏度预计可达约10σ，尽管源密度较低，仍优于盖亚对该信号的探测能力。