[论文解读] Strongly lensed repeating Fast Radio Bursts precisely probe the universe

Zhengxiang Li, He Gao+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 3

一句话总结

该论文提出利用强引力透镜化重复快速射电暴（FRB）中的时间延迟作为精确的宇宙学探针。通过利用毫秒爆发带来的极高信噪比与星系尺度透镜延迟（约10天）相结合，证明10个此类系统可实现0.48%的哈勃常数H₀约束精度和0.056的宇宙曲率约束精度，且为模型无关方式，为弗里德曼-勒梅特-勒梅特（FLRW）度规提供直接检验，并打破曲率与暗能量之间的退化关联。

ABSTRACT

Fast Radio bursts (FRBs) are bright transients with millisecond duration at $\sim$ GHz frequencies, whose physical origin is subject to intense debate. Most FRBs are located at high galactic latitudes and have anomalously large dispersion measures (DMs). Attributing DM to an intergalactic medium origin, the corresponding redshifts z are around $0.5-1$. In this case, FRBs have great chance to be gravitationally lensed by intervening galaxies. Since in a lensed FRB system, the time delay between images can be measured to extremely high precision because of the large ratio $\sim10^9$ between the typical galaxy-lensing delay time $\sim\mathcal{O}$(10 days) and the narrow width of the bursts $\sim\mathcal{O}$(ms), we propose accurate measurements of time delays between images of lensed FRBs as a powerful probe for precision cosmology. Here we show that, within the flat $\Lambda$CDM model, the Hubble constant $H_0$ can be constrained with an uncertainty of $0.48\%$ from accurate measurements of time delays of 10 such systems. More importantly, on the basis of the distance sum rule, the cosmic curvature will be constrained to a precision of $\sim0.056$ in a model-independent way. Such a direct and model-independent constraint on the cosmic curvature will provide a stringent direct test for the validity of the Friedmann-Lema\^{i}tre-Robertson-Walker (FLRW) metric and break the intractable degeneracy between the cosmic curvature and dark energy, offering the opportunity in investigating the nature of dark sectors of the universe.

研究动机与目标

• 利用强引力透镜化重复快速射电暴（FRB）中的高精度时间延迟进行宇宙学参数估计。
• 克服标准宇宙学模型中宇宙曲率与暗能量之间的退化关联。
• 通过距离和规则，在无特定暗能量模型假设下，对弗里德曼-勒梅特-勒梅特（FLRW）度规进行模型无关的检验。
• 在平坦ΛCDM框架内，展示利用FRB透镜系统作为精确宇宙学探针的可行性。

提出的方法

• 利用典型星系透镜延迟（约10天）与FRB爆发持续时间（毫秒级）之间的巨大比值（~10^9），实现亚毫秒级时间延迟测量。
• 在透镜化FRB系统背景下应用距离和规则，将时间延迟与宇宙学参数关联，而无需假设特定的暗能量模型。
• 在平坦ΛCDM宇宙学框架下建模透镜系统，以推导H₀与宇宙曲率的约束。
• 将同一重复FRB多个像之间的时间延迟作为直接可观测量，以推断宇宙学距离。
• 整合10个透镜化FRB系统的统计约束，以提高H₀与Ωk的精度。
• 应用费舍尔矩阵分析，估算未来观测中宇宙学参数的预期不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 强引力透镜化重复FRB中的时间延迟能否提供对宇宙曲率的精确且模型无关的测量？
• RQ2 利用10个透镜化FRB系统的延迟，哈勃常数H₀的约束精度能达到何种程度？
• RQ3 透镜化FRB系统中的距离和规则如何实现对FLRW度规的直接检验？
• RQ4 能否通过这种基于FRB的方法打破宇宙曲率与暗能量之间的退化关联？
• RQ5 使用这种新型FRB透镜技术进行宇宙学参数估计的预期精度如何？

主要发现

• 通过10个强引力透镜化重复FRB系统的延迟测量，哈勃常数H₀的不确定性可被约束在0.48%以内。
• 通过距离和规则，宇宙曲率Ωk可实现约0.056的模型无关精度约束。
• 该方法无需依赖暗能量参数化，可对弗里德曼-勒梅特-勒梅特（FLRW）度规提供直接的几何检验。
• 该技术打破了宇宙曲率与暗能量之间的退化关联，为暗能量本质提供了新见解。
• 毫秒级爆发带来的高信噪比与长延迟时间相结合，实现了亚毫秒级时间延迟分辨率，使FRB成为精确宇宙学的理想工具。
• 该方法在平坦ΛCDM模型下具有鲁棒性，并为检验宇宙学基本假设开辟了新途径。