[论文解读] Testing gravity using weak gravitational lensing and redshift surveys

Yong‐Seon Song, Olivier Doré|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于大尺度结构巡天中弱引力透镜、星系聚类和特殊速度的模型无关方法，用于在宇宙学尺度上检验引力理论。通过从广义相对论的线性微扰理论推导一致性关系，该研究展示了如何利用重叠的星系巡天以高精度预测透镜信号，并表明f(R)引力模型将因预测可观测量的偏离而无法通过此类检验。

ABSTRACT

Using the linear theory of perturbations in General Relativity, we express a set of consistency relations that can be observationally tested with current and future large scale structure surveys. We then outline a stringent model-independent program to test gravity on cosmological scales. We illustrate the feasibility of such a program by jointly using several observables like peculiar velocities, galaxy clustering and weak gravitational lensing. After addressing possible observational or astrophysical caveats like galaxy bias and redshift uncertainties, we forecast in particular how well one can predict the lensing signal from a cosmic shear survey using an over-lapping galaxy survey. We finally discuss the specific physics probed this way and illustrate how $f(R)$ gravity models would fail such a test.

研究动机与目标

• 开发一种严格、模型无关的框架，用于利用当前和未来的大型大尺度结构巡天在宇宙学尺度上检验引力理论。
• 基于广义相对论中的线性微扰理论，建立弱引力透镜、星系聚类和特殊速度之间的一致性关系。
• 评估仅依赖聚类和特殊速度数据，从重叠的星系红移巡天中预测透镜信号的可行性，最大限度减少对理论先验的依赖。
• 识别并解决引力检验中的观测和星体物理系统误差，如星系偏置和红移不确定性。
• 评估如f(R)引力等修正引力模型为何无法满足所推导的一致性关系。

提出的方法

• 从广义相对论的线性微扰理论中推导出将星系聚类、特殊速度和弱透镜等可观测量联系起来的一致性关系。
• 结合来自重叠巡天的多种可观测量——星系聚类、特殊速度和弱引力透镜——以检验引力模型的一致性。
• 利用宇宙剪切巡天和交叉匹配的星系巡天的预测数据，无需假设特定引力模型即可预测透镜信号。
• 通过误差建模和稳健的统计处理，对星系偏置和红移误差等星体物理系统误差进行建模。
• 将该框架应用于测试特定的修正引力模型，特别是f(R)引力，通过比较预测与观测的一致性关系进行检验。
• 利用Fisher矩阵预测量化该方法对偏离广义相对论的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用当前和未来的大型大尺度结构巡天，对广义相对论中推导出的一致性关系进行观测检验？
• RQ2 仅利用聚类和特殊速度数据，能否以高精度从重叠的星系红移巡天中预测弱透镜信号？
• RQ3 星系偏置和红移不确定性在多大程度上会降低该方法对引力检验的敏感度？
• RQ4 与广义相对论相比，f(R)引力模型为何无法满足所推导的一致性关系？
• RQ5 该方法在模型无关地区分不同引力模型方面具有多大潜力？

主要发现

• 从广义相对论的线性微扰理论中推导出的一致性关系，为在宇宙学尺度上检验引力提供了一个稳健且模型无关的框架。
• 弱透镜信号可基于重叠的星系聚类和特殊速度巡天以高精度预测，显著降低对理论先验的依赖。
• 该方法对偏离广义相对论的偏差足够敏感，f(R)引力模型因增长和透镜信号的改变而被预测会违反一致性关系。
• 星系偏置和红移不确定性等系统效应可通过细致建模得以缓解，从而保持该方法对引力物理的敏感度。
• 联合使用多种可观测量可显著增强约束能力，使该方法能够超越标准宇宙学探针，对引力理论实施严格检验。
• 预测的巡天数据表明，该方法可在显著水平上区分可行的引力模型与广义相对论。