[论文解读] Testing General Relativity at Cosmological Scales using ISiTGR

Jason Dossett, Mustapha Ishak+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文介绍了 ISiTGR，一个公开的软件包，通过结合红移分箱与尺度平滑演化的新颖混合参数化方法，对宇宙学尺度上的广义相对论进行检验。研究发现修改引力参数与 σ₈ 之间存在强烈退化，凸显了未来高精度宇宙学研究中退化问题的关键挑战。

ABSTRACT

The testing of general relativity at cosmological scales has become a possible and timely endeavor that is not only motivated by the pressing question of cosmic acceleration but also by the proposals of some extensions to general relativity that would manifest themselves at large scales of distance. We analyze here correlations between modified gravity growth parameters and some core cosmological parameters using the latest cosmological data sets including the refined Cosmic Evolution Survey 3D weak lensing. We provide parametrized modified growth equations and their evolution. We implement known functional and binning approaches, and propose a new hybrid approach to evolve modified gravity parameters in redshift (time) and scale. The hybrid parametrization combines a binned redshift dependence and a smooth evolution in scale avoiding a jump in the matter power spectrum. The formalism developed to test the consistency of current and future data with general relativity is implemented in a package that we make publicly available and call ISiTGR (Integrated Software in Testing General Relativity), an integrated set of modified modules for the publicly available packages CosmoMC and CAMB, including a modified version of the integrated Sachs-Wolfe-galaxy cross correlation module of Ho et al and a new weak-lensing likelihood module for the refined HST-COSMOS weak lensing tomography data. We obtain parameter constraints and correlation coefficients finding that modified gravity parameters are significantly correlated with \sigma_8 and mildly correlated with \Omega_m, for all evolution methods. The degeneracies between \sigma_8 and modified gravity parameters are found to be substantial for the functional form and also for some specific bins in the hybrid and binned methods indicating that these degeneracies will need to be taken into consideration when using future high precision data.

研究动机与目标

• 检验当前和未来宇宙学数据与大尺度上广义相对论的一致性。
• 解决修改引力参数与关键宇宙学参数（如 σ₈ 和 Ωₘ）之间退化问题的挑战。
• 开发一个灵活、公开可用的框架，利用最先进数据测试修改引力模型。
• 实现一种新型混合参数化方法，通过结合分箱红移与平滑尺度演化，避免物质功率谱中的不连续性。
• 提供一个完整的软件流水线，将修改模块集成至 CosmoMC 和 CAMB 中，实现稳健的似然分析。

提出的方法

• 提出一种混合参数化方法，结合分箱红移依赖与平滑尺度演化，避免物质功率谱中的跳跃。
• 推导参数化的修改引力增长方程及其随时间和尺度变化的演化规律，用于检验修改引力模型。
• 通过自定义模块将修改引力形式化整合进 CosmoMC 和 CAMB，包括修订后的积分萨克斯-沃尔夫-星系互相关模块。
• 引入一个针对 HST-COSMOS 3D 弱透镜测量数据的新型弱引力透镜似然模块。
• 采用函数形式、分箱和混合方法，在红移和尺度上演化修改引力参数。
• 利用最新宇宙学数据集，包括经过优化的 HST-COSMOS 弱透镜数据，约束修改引力参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 修改引力增长参数与核心宇宙学参数（如 σ₈ 和 Ωₘ）之间的相关性如何？
• RQ2 不同演化方法（函数形式、分箱、混合）对修改引力与 σ₈ 之间退化结构的影响是什么？
• RQ3 混合参数化方法能否有效避免物质功率谱中的不连续性，同时保持灵活性？
• RQ4 当前宇宙学数据在多大程度上约束了宇宙学尺度上广义相对论的偏离？
• RQ5 修改引力参数与 σ₈ 之间的退化对未来的高精度宇宙学实验有何影响？

主要发现

• 所有演化方法下，修改引力参数与 σ₈ 均表现出显著相关性，表明存在强烈的退化。
• 在修改引力参数与 Ωₘ 之间发现微弱相关性，表明 Ωₘ 具有次要但不可忽视的影响。
• 在函数形式以及混合和分箱方法的特定红移分箱中，σ₈ 与修改引力参数之间的退化尤为显著。
• 通过结合分箱红移与平滑尺度演化，混合参数化方法成功避免了物质功率谱中的跳跃。
• ISiTGR 软件包已公开发布，并可无缝集成至 CosmoMC 和 CAMB，支持广义相对论的可重复且可扩展的检验。
• 结果强调了在解释未来高精度宇宙学数据时，必须考虑 σ₈ 与修改引力参数之间退化的影响。