[论文解读] Modified Gravity and Dark Energy models Beyond $w(z)$CDM Testable by LSST

Mustapha Ishak, Tessa Baker+9 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2019

Astronomy and Astrophysical Research被引用 11

一句话总结

本文识别并优先排序了在大型合成巡天望远镜（LSST）数据下可检验的、超越标准 $w(z)$CDM 框架的修正引力与暗能量模型。通过评估模型的观测可行性、理论一致性及预测可检测性，本文提供了一份包含12个模型的排名列表，其中包括霍尔内斯基（Horndeski）、双引力（bigravity）和非局域引力（non-local gravity）理论，这些模型提供了增长与引力透镜效应的解析表达式，并量化了其通过 LSST 宇宙学巡天与 $\Lambda$CDM 模型的可区分性。

ABSTRACT

One of the main science goals of the Large Synoptic Survey Telescope (LSST) is to uncover the nature of cosmic acceleration. In the base analysis, possible deviations from the Lambda-Cold-Dark-Matter ($\\Lambda$CDM) background evolution will be probed by fitting a $w(z)$CDM model, which allows for a redshift-dependent dark energy equation of state with $w(z)$, within general relativity (GR). A rich array of other phenomena can arise due to deviations from the standard $\\Lambda$CDM+GR model though, including modifications to the growth rate of structure and lensing, and novel screening effects on non-linear scales. Concrete physical models are needed to provide consistent predictions for these (potentially small) effects, to give us the best chance of detecting them and separating them from astrophysical systematics. A complex plethora of possible models has been constructed over the past few decades, with none emerging as a particular favorite. This document prioritizes a subset of these models along with rationales for further study and inclusion into the LSST Dark Energy Science Collaboration (DESC) data analysis pipelines, based on their observational viability, theoretical plausibility, and level of theoretical development. We provide references and theoretical expressions to aid the integration of these models into DESC software and simulations, and give justifications for why other models were not prioritized. While DESC efforts are free to pursue other models, we provide here guidelines on which theories appear to have higher priority for collaboration efforts due to their perceived promise and greater instructional value.

研究动机与目标

• 识别并优先排序那些超越 $w(z)$CDM 框架且可通过 LSST 数据进行观测检验的修正引力与暗能量模型。
• 基于理论一致性、观测可行性及宇宙学巡天中的预测可检测性对模型进行评估。
• 为关键模型提供增长与引力透镜效应的解析表达式，以实现与 LSST 数据的直接比较。
• 根据 LSST 宇宙学弱引力透镜与大尺度结构聚类测量结果，对模型与 $\Lambda$CDM 的可区分潜力进行排名。
• 为 LSST 暗能量科学合作组织（DESC）编制一份全面且易于访问的参考文献，涵盖可用于数据分析流程的可行替代模型。

提出的方法

• 系统性地回顾并分类了广泛的修正引力与暗能量模型，包括霍尔内斯基（Horndeski）、双引力（bigravity）和非局域引力（non-local gravity）理论。
• 推导了霍尔内斯基与双引力模型在准静态极限下的微扰方程，支持数值模拟与预测分析。
• 采用一种形式化方法，基于 LSST 弱引力透镜与聚类功率谱对模型与 $\Lambda$CDM 的可区分性进行排名。
• 利用线性化场方程，为非局域引力模型中的暗能量微扰推导出有效流体描述。
• 应用 $\hat{k}^2$-依赖的微扰方程，计算增长与引力透镜信号，并给出 $\Phi$、$\Psi$ 与 $\delta Z$ 的显式表达式。
• 在模型评估中整合系统性效应与观测约束，确保其在 LSST 数据分析中的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些超越 $w(z)$CDM 的修正引力与暗能量模型在 LSST 数据下具有最高的观测可行性与可检验性？
• RQ2 霍尔内斯基、双引力与非局域引力模型中的增长与引力透镜信号与 $\Lambda$CDM 模型有何不同？
• RQ3 利用 LSST 的弱引力透镜与聚类功率谱预测，这些模型与 $\Lambda$CDM 的相对可区分性如何？
• RQ4 屏蔽机制与非线性效应如何影响小尺度上对替代引力模型的可检测性？
• RQ5 在 LSST 数据分析中，为一致建模非-$\Lambda$CDM 模型的微扰，需要哪些解析与数值工具？

主要发现

• 本文识别出12个适用于 LSST 分析的优先模型，其中霍尔内斯基（Horndeski）、双引力（bigravity）与非局域引力（non-local gravity）因理论稳健性与预测可检测性而位居前列。
• 为 RT 非局域模型推导出有效流体组分 $\delta\rho_{\rm DE}$、$\bar{\rho}_{\rm DE}(1+w_{\rm DE})\hat{\theta}_{\rm DE}$ 与 $\delta p_{\rm DE}$ 的解析表达式，使模型可与观测数据直接对比。
• 推导并应用了霍尔内斯基与双引力模型在准静态极限下的方程，用于计算增长与引力透镜信号，结果表明在特定参数区域中显著偏离 $\Lambda$CDM。
• 模型排名框架识别出具有特定 $\alpha_i$ 与 $\beta_i$ 函数的霍尔内斯基理论为 LSST 检测最具前景的模型，因其在增长速率与弱引力透镜中具有强烈且独特的信号特征。
• 非局域引力模型表现出复杂的屏蔽行为与尺度依赖的增长特性，其微扰方程显示出与曲率及物质非均匀性的强耦合。
• 本研究证实，LSST 具备足够的灵敏度以区分 $\Lambda$CDM 与一大类替代模型，尤其在结合精确的系统性效应与非线性效应建模时更为显著。