[论文解读] Testing modified (Horndeski) gravity by combining intrinsic galaxyalignments with cosmic shear

Robert Reischke, Víctor Boscá+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 74被引用 5

一句话总结

本文提出将星系固有对齐（IAs）作为弱引力透镜测量中检验霍尔内斯基修正引力的宇宙学探针，通过结合宇宙 shear 信号实现。IAs 仅对引力势 Φ 敏感，而宇宙 shear 探测的是 Bardeen 势之和（Φ + Ψ），从而可直接检验引力理论；然而，若不使用模拟提供的先验约束，IAs 幅度的自校准会严重限制对修正引力参数的敏感度。

ABSTRACT

We study the impact of modified gravity of the Horndeski class, on intrinsic shape correlations in cosmic shear surveys. As intrinsic shape correlations (IAs) are caused by tidal gravitational fields acting on galaxies as a collection of massive non-relativistic test particles, they are only sensitive to the gravitational potential, which forms in conjunction with the curvature perturbation. In contrast, the cosmic shear signal probes the sum of these two, i.e. both Bardeen-potentials. Combining these probes therefore constitutes a test of gravity, derived from a single measurement. Focusing on linear scales and alignments of elliptical galaxies, we study the impact on inference of the braiding $\hat{\alpha}_B$ and the time evolution of the Planck mass $\hat{\alpha}_M$ by treating IAs as a genuine signal contributing to the overall ellipticity correlation. We find that for extsc{Euclid}, IAs can help to improve constraints on modified gravity of the Horndeski-class by 10 per cent if the alignment parameter needed for the linear alignment model is provided by simulations. If, however, the IA needs to be self calibrated, all of the sensitivity is put into the inference of the alignment strength $D$ since there is a very strong correlation with the evolution of the Planck mass. Thus diminishing the benefit of IA for probing modified gravitational theories. While the present paper shows results mainly for modified gravity parameters, similar deductions can be drawn for the investigation of anisotropic stresses, parameterised modifications to the Poisson-equation, the phenomenology of gravitational slip and to breaking degeneracies in a standard cosmology.

研究动机与目标

• 将固有对齐（IAs）从弱引力透镜测量中的系统误差转化为宇宙学探针。
• 利用 IAs 对 Φ 的敏感性与宇宙 shear 对 Φ + Ψ 的互补敏感性，测试霍尔内斯基类修正引力理论。
• 评估 IAs 是否能改善对修正引力参数（如耦合参数 ˆαB 和 Planck 质量时间演化 ˆαM）的约束。
• 评估对 IA 幅度进行自校准与使用模拟提供的先验约束对修正引力推断的影响。
• 探讨该方法在各向异性应力、引力滑移以及泊松方程现象学修正中的更广泛应用性。

提出的方法

• 使用线性潮汐对齐模型描述椭圆星系的固有形状相关性，假设对齐与潮汐剪切呈线性关系。
• 将宇宙 shear 信号建模为 Bardeen 势之和（Φ + Ψ）的函数，以敏感探测修正引力中的度规扰动。
• 在联合似然分析中结合 IA 与宇宙 shear 功率谱，以约束霍尔内斯基引力参数 ˆαB 与 ˆαM。
• 针对第四阶段巡天（如 Euclid）进行 Fisher 矩阵预报，重点关注线性理论适用的大尺度（ℓ < 300）。
• 比较两种情形：一种是 IA 幅度由模拟已知，另一种是 IA 强度（D）从数据中自校准。
• 考虑 IA 幅度与修正引力参数之间的退化关系，特别是 D 与 ˆαM 之间存在强烈相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与宇宙 shear 结合时，固有对齐（IAs）能否为霍尔内斯基修正引力参数提供独立约束？
• RQ2 IA 幅度 D 的自校准如何影响对修正引力参数 ˆαB 与 ˆαM 的敏感度？
• RQ3 对 IA 强度的先验知识在多大程度上能改善对霍尔内斯基引力的约束？
• RQ4 IAs 在多大程度上能打破修正引力模型中引力滑移（Φ − Ψ）或各向异性应力的退化？
• RQ5 考虑到螺旋星系对齐机制尚不明确，它们是否能为基于 IA 的引力检验提供额外的统计精度？

主要发现

• 当 IA 幅度 D 作为先验提供（例如来自模拟）时，IAs 可使类 Euclid 探测中对霍尔内斯基引力参数的约束提升约 10%。
• 若 IA 幅度 D 必须从数据中自校准，则几乎所有统计精度均被用于拟合 D，导致对 ˆαB 与 ˆαM 的信噪比几乎耗尽。
• D 与 Planck 质量时间演化 ˆαM 之间存在强烈退化，严重限制了在 D 未知时 IAs 对修正引力探测的实用性。
• IAs 对 Planck 质量随时间的变化（ˆαM）最为敏感，使其成为霍尔内斯基引力中度规演化的一种独特探针。
• IAs（对 Φ 敏感）与宇宙 shear（对 Φ + Ψ 敏感）之间的互补性可实现对引力滑移的直接检验，但前提是已知 IA 幅度。
• 未来巡天无法以足够精度同时独立测量 D 与 ˆαB/ˆαM，凸显了基于模拟的先验或对螺旋星系改进模型的必要性。