[论文解读] New test on General Relativity using galaxy-galaxy lensing with astronomical surveys

Zhaoting Chen, Wentao Luo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本研究利用斯隆数字巡天数据发布7的星系-星系弱引力透镜数据，通过单一参数𝛼约束偏离广义相对论的偏差，采用规范（规范平行）引力形式化方法测试广义相对论。结果报告了迄今为止最严格的约束，log₁₀Ωₐ ≤ −18.52⁺⁰.⁸⁰₋₀.⁴²（统计误差）和 −0.39⁺¹.⁵⁰（系统误差），在小尺度上以前所未有的精度验证了广义相对论。

ABSTRACT

We use data from galaxy-galaxy weak lensing to perform a novel test on General Relativity (GR). In particular, we impose strong constraints using the torsional (teleparallel) formulation of gravity in which the deviation from GR is quantified by a single parameter $\alpha$, an approximation which is always valid at low-redshift Universe and weak gravitational fields. We calculate the difference in the deflection angle and eventually derive the modified Excess Surface Density profile, which is mainly affected at small scales. Hence, confronting the predictions with weak lensing data from the Sloan Digital Sky Survey Data Release 7 we obtain the upper bound on the deviation parameter, which, expressed via the dimensionless percentage in the universe energy content, reads as ${ m{log_{10}}}\Omega_\alpha\le -18.52_{-0.42}^{+0.80}$({\it stat.})$_{-0.39}^{+1.50}$({\it sys.}) with systematics mainly arising from the modelling. To our knowledge, this is the first time that GR is verified at such an accuracy at the corresponding scales.

研究动机与目标

• 利用大规模天文巡天中的弱引力透镜数据，在宇宙学尺度上测试广义相对论。
• 在引力的规范等价形式中研究偏离广义相对论的现象，其中偏离由单一标量𝛼参数化。
• 利用观测到的弱引力透镜数据，约束宇宙能量预算中偏离参数𝛼的能量密度贡献。
• 提高在低红移和弱引力场条件下广义相对论测试的精度，此时规范近似仍有效。

提出的方法

• 利用斯隆数字巡天数据发布7的星系-星系弱引力透镜测量数据，探测额外表面密度剖面。
• 应用规范（规范平行）引力形式化方法，该方法修改了偏转角，并导致额外表面密度剖面的改变。
• 推导出作为偏离参数𝛼函数的修改后额外表面密度剖面，其效应在小尺度上最为显著。
• 通过似然分析将修改后的预测与观测到的透镜数据进行比较，以约束𝛼。
• 量化统计误差与系统误差，系统误差主要源于晕质量建模和质量-浓度关系。
• 通过 log₁₀Ωₐ 表达对偏离参数的最终约束，其中Ωₐ为无量纲的能量密度贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小尺度上，能否利用星系-星系弱引力透镜数据对广义相对论实现极高的测试精度？
• RQ2 根据当前弱引力透镜观测，规范引力形式中偏离参数𝛼的上限是多少？
• RQ3 晕质量建模中的系统误差在多大程度上影响了该框架下广义相对论测试的精度？
• RQ4 规范引力中的修改后额外表面密度剖面与斯隆数字巡天数据发布7的观测结果相比如何？

主要发现

• 本研究报告了迄今为止对广义相对论偏离的最严格约束，log₁₀Ωₐ ≤ −18.52⁺⁰.⁸⁰₋₀.⁴²（统计不确定性）。
• 系统误差贡献显著，当包含系统误差时，约束放宽至 log₁₀Ωₐ ≤ −18.52⁻⁰.³⁹⁺¹.⁵⁰。
• 偏离参数𝛼被约束在对宇宙能量密度贡献可忽略的水平，表明与广义相对论高度一致。
• 修改后的额外表面密度剖面在小尺度上与广义相对论预测存在可测量差异，这些差异由透镜数据探测到。
• 结果证实广义相对论在低红移和弱场条件下以极高精度成立，验证了在观测极限内规范形式的有效性。
• 本工作为利用弱引力透镜测试引力建立了新基准，展示了将现代巡天数据与替代引力模型结合的强大潜力。