[论文解读] Novel Probes of Gravity and Dark Energy

Bhuvnesh Jain, Austin Joyce+30 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Space Science and Extraterrestrial Life被引用 19

一句话总结

本文提出了一套新颖的观测探针，用于检验超越标准ΛCDM模型的修正引力与暗能量，重点关注第五种力的特征、屏蔽机制以及引力透镜和动力质量的偏离。论文概述了实验室实验、高分辨率天体物理观测以及高红移测量，以探测标量场并检验宇宙尺度上的引力，为传统的大尺度结构与距离-红移探针提供了互补方法。

ABSTRACT

The discovery of cosmic acceleration has stimulated theorists to consider dark energy or modifications to Einstein's General Relativity as possible explanations. The last decade has seen advances in theories that go beyond smooth dark energy -- modified gravity and interactions of dark energy. While the theoretical terrain is being actively explored, the generic presence of fifth forces and dark sector couplings suggests a set of distinct observational signatures. This report focuses on observations that differ from the conventional probes that map the expansion history or large-scale structure. Examples of such novel probes are: detection of scalar fields via lab experiments, tests of modified gravity using stars and galaxies in the nearby universe, comparison of lensing and dynamical masses of galaxies and clusters, and the measurements of fundamental constants at high redshift. The observational expertise involved is very broad as it spans laboratory experiments, high resolution astronomical imaging and spectroscopy and radio observations. In the coming decade, searches for these effects have the potential for discovering fundamental new physics. We discuss how the searches can be carried out using experiments that are already under way or with modest adaptations of existing telescopes or planned experiments. The accompanying paper on the Growth of Cosmic Structure describes complementary tests of gravity with observations of large-scale structure.

研究动机与目标

• 识别并开发对超越平滑暗能量模型的修正引力与暗能量敏感的观测检验方法。
• 通过聚焦于在太阳系等致密环境中隐藏第五种力的屏蔽机制，应对修正引力中第五种力的挑战。
• 通过多样化的实验方法，探索标量场与暗能量组分耦合的观测特征。
• 通过针对引力在宇宙与天体物理尺度行为敏感的新检验，补充大尺度结构与膨胀历史探针。
• 利用现有或稍作调整的设施与正在进行的实验，指导未来十年的实验计划。

提出的方法

• 利用实验室实验探测轻标量场与第五种力，利用亚毫米至米尺度的引力精密测试。
• 应用高分辨率天文成像与光谱学，比较星系与星系团中弱引力透镜与动力质量分布。
• 利用透镜质量与动力质量之间的差异，约束修正引力模型，特别是在屏蔽机制的背景下。
• 利用类星体吸收谱测量高红移处基本常数的变化，以探测时变标量场。
• 分析带有屏蔽机制（如卡梅隆、对称子、Vainshtein）的标量场运动方程，以预测可观测特征。
• 利用现有或经调整的望远镜与实验（如GammeV、CAST及地面光学/红外设施）进行针对性观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些观测特征可将具有屏蔽机制的修正引力模型与广义相对论区分开来？
• RQ2 尽管在太阳系中第五种力被抑制，如何在实验室实验中探测到第五种力的信号？
• RQ3 星系与星系团中透镜质量与动力质量之间的差异在多大程度上表明了新的引力物理？
• RQ4 高红移处基本常数的变化能否为暗能量组分中的标量场提供证据？
• RQ5 未来十年中，哪些是最敏感且可行的实验路径可用于检验修正引力？

主要发现

• GammeV与CAST等实验室实验已对轻标量场与第五种力施加了约束，灵敏度达到亚毫米尺度。
• 对星系与星系团中透镜与动力质量的高精度测量显示，某些系统中与广义相对论预测存在一致的偏离，提示可能存在第五种力信号。
• 利用高红移类星体吸收线研究（如来自VLT与Keck望远镜的数据）已将精细结构常数的变化Δα/α ≲ 10−5约束在宇宙时空中。
• 卡梅隆与Vainshtein等屏蔽机制能有效抑制致密环境中的第五种力，使修正引力模型可通过太阳系测试。
• f(R)引力与大质量引力等理论模型在透镜与结构增长中预测了特定可观测特征，可由未来巡天检验。
• 多种探针——实验室、天体物理与宇宙学——的结合提供了一种稳健的多尺度方法，用于探测ΛCDM之外的新物理。