[论文解读] How can gravitational-wave standard sirens and 21 cm intensity mapping jointly provide a precise late-universe cosmological probe?

Shang-Jie Jin, Ling-Feng Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 118被引用 52

一句话总结

本文提出了一种联合宇宙学探针方法，结合爱因斯坦望远镜（ET）和天极（Taiji）的引力波标准汽笛源，以及平方公里阵列（SKA）第一阶段中频阵列的21厘米强度映射，以打破晚期宇宙学中的参数退化问题。该研究预测，这种协同观测在ΛCDM模型下可实现σ(H₀) = 0.28 km s⁻¹ Mpc⁻¹的精度，优于Planck+BAO+SNe的结果，展示了该方法在解决哈勃张力问题上的强大且高精度潜力。

ABSTRACT

In the next decades, the gravitational-wave (GW) standard siren observations and the neutral hydrogen 21-cm intensity mapping (IM) surveys, as two promising cosmological probes, will play an important role in precisely measuring cosmological parameters. In this work, we make a forecast for cosmological parameter estimation with the synergy between the GW standard siren observations and the 21-cm IM surveys. We choose the Einstein Telescope (ET) and the Taiji observatory as the representatives of the GW detection projects and choose the Square Kilometre Array (SKA) phase I mid-frequency array as the representative of the 21-cm IM experiments. In the simulation of the 21-cm IM data, we assume perfect foreground removal and calibration. We find that the synergy of the GW standard siren observations and the 21-cm IM survey could break the cosmological parameter degeneracies. The joint ET+Taiji+SKA data give $\sigma(H_0)=0.28\ { m km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$ in the $\Lambda$CDM model, $\sigma(w)=0.028$ in the $w$CDM model, which are better than the results of $Planck$+BAO+SNe, and $\sigma(w_0)=0.077$ and $\sigma(w_a)=0.295$ in the CPL model, which are comparable with the results of $Planck$+BAO+SNe. In the $\Lambda$CDM model, the constraint precision of $H_0$ and $\Omega_{ m m}$ is less than or rather close to 1%, indicating that the magnificent prospects for precision cosmology with these two promising cosmological probes are worth expecting.

研究动机与目标

• 研究引力波标准汽笛源与21厘米强度映射在提升晚期宇宙学参数估计精度方面的协同潜力。
• 通过结合两种独立的下一代宇宙学探针（系统误差互补），解决哈勃张力问题。
• 在现实假设下（包括21厘米数据中完美去除前景信号和校准）预测宇宙学约束。
• 评估联合探针在ΛCDM、wCDM和CPL模型中的性能，重点关注H₀、w、w₀和wₐ参数。
• 证明该联合方法比单一探针或Planck+BAO+SNe更有效地打破宇宙学参数退化。

提出的方法

• 模拟爱因斯坦望远镜（ET）针对双中子星（BNS）事件的引力波标准汽笛源，以及天极（Taiji）针对大质量黑洞双星（MBHB）事件的引力波标准汽笛源。
• 基于平方公里阵列（SKA）第一阶段中频阵列，建模21厘米强度映射的功率谱，假设前景信号可完美去除且校准准确。
• 采用费舍尔矩阵分析方法，预测在ΛCDM、wCDM和CPL模型下的宇宙学参数约束。
• 以Planck 2018 TT,TE,EE+lowE结果作为基准宇宙学参数，用于生成模拟数据。
• 将ET、Taiji和SKA的费舍尔矩阵联合，计算对H₀、Ωₘ、w、w₀和wₐ的联合约束。
• 评估H₀和暗能量状态方程参数的精度，并与Planck+BAO+SNe基准结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波标准汽笛源与21厘米强度映射的协同作用是否比单一探针更有效地打破宇宙学参数退化？
• RQ2 在ΛCDM、wCDM和CPL模型下，结合ET、Taiji和SKA数据可实现H₀、w、w₀和wₐ的何种精度？
• RQ3 与Planck+BAO+SNe组合相比，联合约束的精度如何，特别是在解决哈勃张力方面？
• RQ4 同时包含高红移（MBHB）和低红移（BNS）标准汽笛源在多大程度上提升了宇宙学约束？
• RQ5 21厘米IM数据在与标准汽笛源结合时，能否对w(z)提供与距离-红移测量相当的约束，尤其在暗能量演化参数估计方面？

主要发现

• 在ΛCDM模型下，联合ET+Taiji+SKA数据预测σ(H₀) = 0.28 km s⁻¹ Mpc⁻¹，优于Planck+BAO+SNe的精度。
• 在wCDM模型中，联合探针实现σ(w) = 0.028，优于Planck+BAO+SNe的结果。
• 在CPL模型中，σ(w₀) = 0.077，σ(wₐ) = 0.295，与Planck+BAO+SNe的约束水平相当。
• 在ΛCDM模型中，H₀和Ωₘ的约束精度低于或非常接近1%，表明可实现亚百分之一级别的精度。
• 该协同方法有效打破了宇宙学参数之间的退化关系，尤其显著增强了对H₀和w(z)的约束。
• 结果表明，引力波标准汽笛源与21厘米IM的结合提供了一种强大、独立且高精度的晚期宇宙学探针，具有解决哈勃张力的强潜力。