[论文解读] Prospects of testing late-time cosmology with weak lensing of gravitational waves and galaxy surveys

Anna Balaudo, Alice Garoffolo+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文研究了将引力波弱透镜（GW-WL）与星系巡天相结合以检验晚期宇宙学的潜力，特别是修改引力和暗能量模型。结果表明，GW-WL可将非ΛCDM参数的精度提高一倍，在理想情况下实现亚百分之一水平的约束，为标准声源和大尺度结构巡天提供互补的探测手段。

ABSTRACT

We investigate the synergy of upcoming galaxy surveys and gravitational wave (GW) experiments in constraining late-time cosmology, examining the cross-correlations between the weak lensing of gravitational waves (GW-WL) and the galaxy fields. Without focusing on any specific GW detector configuration, we benchmark the requirements for the high-precision measurement of cosmological parameters by considering several scenarios, varying the number of detected GW events and the uncertainty on the inference of the source luminosity distance and redshift. We focus on $Λ$CDM and scalar-tensor cosmologies, using the Effective Field Theory formalism as a unifying language. We find that, in some of the explored setups, GW-WL contributes to the galaxy signal by doubling the accuracy on non-$Λ$CDM parameters, allowing in the most favourable scenarios to reach even percent and sub-percent level bounds. Though the most extreme cases presented here are likely beyond the observational capabilities of currently planned individual GW detectors, we show nonetheless that - provided that enough statistics of events can be accumulated - GW-WL offers the potential to become a cosmological probe complementary to LSS surveys, particularly for those parameters that cannot be constrained by other GW probes such as standard sirens.

研究动机与目标

• 评估未来星系巡天与引力波实验在约束晚期宇宙学方面的协同潜力。
• 评估引力波弱透镜（GW-WL）与星系场之间的交叉相关性如何改善对宇宙学参数的约束。
• 研究引力波事件统计量及距离/红移不确定性变化对宇宙学参数估计的影响。
• 检验GW-WL作为标准声源和大尺度结构巡天的互补探测手段的有效性，尤其针对其他引力波方法无法约束的参数。
• 确定GW-WL在利用有效场论形式化方法约束标量-张量理论和ΛCDM扩展模型中的可行性。

提出的方法

• 使用暗能量的有效场论（EFT）统一分析标量-张量引力模型，包括Horndeski理论。
• 建立引力波弱透镜与星系密度扰动场之间交叉相关性的模型，以提取宇宙学信息。
• 通过改变探测到的引力波事件数量以及光度距离和红移推断的不确定性，对宇宙学约束进行基准测试。
• 使用Fisher矩阵预测，估算在不同情景下宇宙学参数估计的精度。
• 比较不同引力波源红移分布（例如，$z_0 = 0.5, 1.0, 1.5$）下的宇宙学约束，以评估对源分布的敏感性。
• 评估GW-WL对ΛCDM和标量-张量模型中$w_0$、$w_a$、$\Omega_0$和$\gamma_2^0$等参数约束的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用星系巡天相比，引力波弱透镜与星系巡天之间的交叉相关性在多大程度上改善了对非ΛCDM参数的约束？
• RQ2 需要达到何种引力波事件统计量和距离精度，才能使GW-WL实现对宇宙学参数的亚百分之一水平约束？
• RQ3 宇宙学约束对引力波源红移分布的敏感性如何，尤其是在与标准声源的比较中？
• RQ4 在何种情况下，GW-WL优于或可互补于其他基于引力波的宇宙学探测手段（如标准声源）？
• RQ5 GW-WL在多大程度上能打破电磁巡天难以约束的修改引力模型中的参数退化？

主要发现

• 在理想情景下，GW-WL可将非ΛCDM参数的精度提高一倍，实现百分之一甚至亚百分之一水平的约束。
• 宇宙学约束的最显著改善出现在引力波源与星系的红移分布有显著重叠时，其中$z_0 = 1.5$因高红移源数量更多而表现最强。
• 当$z_0 = 0.5$时，由于与星系分布重叠较差，特别是在高红移区域，导致约束明显更宽松。
• 对于$\sigma_{d_L} = 1\%$的情况，GW-WL在所有引力波事件数量下均显著贡献于$\Omega_0$和$\gamma_2^0$的约束，表明即使在事件数较少时也具有鲁棒性。
• 源分布的影响在模型I中比在模型II中更显著，$z_0 = 0.5$与$z_0 = 1.5$相比，$w_a$和$\Omega_0$的约束差异最高可达10%。
• 尽管第三代探测器（如ET、CE）可能无法达到使GW-WL具有竞争力的事件统计量，但未来第四代探测器有望使其成为一种可行且互补的宇宙学探测手段。