[论文解读] Geometrical tests of cosmological models. I. Probing dark energy using the kinematics of high redshift galaxies

C. Marinoni, A. Saintonge+7 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Oct 3, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 56被引用 5

一句话总结

本文提出利用高红移旋转星系的动力学特性——特别是盘面大小与旋转速度之间的相关性——作为标准棒，通过角直径距离检验探测暗能量。结合高分辨率光谱与哈勃空间望远镜（HST）成像，该方法可在 $0 < z < 1.4$ 范围内，即使在大小-速度关系存在 40% 散差的情况下，也将暗能量状态方程参数 $w$ 的约束精度控制在 20% 以内，并能诊断线性盘面演化而不对宇宙学结果造成偏差。

ABSTRACT

We suggest to use the observationally measured and theoretically justified correlation between size and rotational velocity of galactic discs as a viable method to select a set of high redshift standard rods which may be used to explore the dark energy content of the universe via the classical angular-diameter test. Here we explore a new strategy for an optimal implementation of this test. We propose to use the rotation speed of high redshift galaxies as a standard size indicator and show how high resolution multi-object spectroscopy and ACS/HST high quality spatial images, may be combined to measure the amplitude of the dark energy density parameter, or to constrain the cosmic equation of state parameter for a smooth dark energy component. We evaluate how systematics may affect the proposed tests, and find that a linear standard rod evolution, causing galaxy dimensions to be up to 30% smaller at z=1.5, can be uniquely diagnosed, and will minimally bias the confidence level contours in the [Omega_Q, w] plane. Finally, we show how to derive, without a priori knowing the specific functional form of disc evolution, a cosmology-evolution diagram with which it is possible to establish a mapping between different cosmological models and the amount of galaxy disc/luminosity evolution expected at a given redshift.

研究动机与目标

• 开发一种利用高红移旋转星系作为标准棒的新几何测试方法，用于测量宇宙学参数。
• 通过利用盘星系中大小-速度相关性，克服传统暗能量探测方法的局限性。
• 评估角直径距离检验对星系盘面演化等系统效应的鲁棒性。
• 构建一个宇宙学-演化图，将宇宙学模型映射到预期的盘面/光度演化，而无需假设特定函数形式。
• 在存在真实观测散差与演化效应的情况下，实现对 $w$ 和 $\Omega_Q$ 的最小先验约束。

提出的方法

• 利用观测到的星系盘大小与旋转速度之间的经验相关性作为标准棒校准。
• 结合高分辨率多目标光谱测量旋转速度 $V$，以及 ACS/HST 成像测量高红移下的角直径 $\theta$。
• 应用角直径距离检验：$\theta = L(z, \Omega) / d_A(z)$，其中 $d_A$ 为依赖于宇宙学参数的角直径距离。
• 采用约 1300 个高红移旋转星系的基准样本，其 $V = 200 \pm 20$ km/s，红移范围为 $0 < z < 1.4$，以获得统计效力。
• 建模潜在系统误差，如线性盘面演化（在 $z=1.5$ 时大小最多减小 30%），并表明其可被独立诊断。
• 推导出宇宙学-演化图，将宇宙学模型映射到预期的盘面演化，从而实现在不假设演化函数形式的前提下联合约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移盘星系的大小-速度相关性能否作为宇宙距离测量的可靠标准棒？
• RQ2 星系盘面演化在多大程度上会偏差角直径距离检验对暗能量约束的结果？
• RQ3 在大小-速度关系存在真实散差的情况下，该方法能多准确地约束状态方程参数 $w$？
• RQ4 宇宙学-演化图是否能在不预先假设的前提下，将宇宙学参数与星系演化效应分离？
• RQ5 盘面演化引起的系统误差达到何种水平时，会破坏该方法对暗能量的探测能力？

主要发现

• 在 1 平方度的天区范围内，$0 < z < 1.4$ 范围内预计可获得约 1300 个高红移旋转星系样本，其 $V = 200 \pm 20$ km/s，足以实现稳健的宇宙学约束。
• 即使在大小-速度校准存在 40% 散差的情况下，该方法仍可在无先验条件下将暗能量状态方程参数 $w$ 的约束精度控制在 20% 以内，覆盖 $[\Omega_m, \Omega_Q]$ 参数平面。
• 导致在 $z=1.5$ 时大小减少最多 30% 的线性盘面演化可被唯一诊断，且对 $[\Omega_Q, w]$ 置信区域造成的偏差极小。
• 角直径距离检验保持稳健：即使数据以真实散差进行演化，基准 $[\Omega_Q, w]$ 点仍位于 1$\sigma$ 误差椭圆内。
• 若在 $\bar{z}=1.5$ 时盘面演化的测量精度优于约 30%，则该宇宙学-演化图可实现几何上区分爱因斯坦-德西特宇宙（$\Omega_m=1$）与平坦 $\Lambda$CDM 模型（$\Omega_m=0.3, \Omega_Q=0.7$）。
• 该方法对演化效应的敏感度极低，且除盘面演化外，无其他系统误差可能偏差该检验，而盘面演化可被独立诊断。