[论文解读] The Atacama Cosmology Telescope: DR6 Gravitational Lensing and SDSS BOSS cross-correlation measurement and constraints on gravity with the $E_G$ statistic

Lukas Wenzl, Rui An+25 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2024

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究通过交叉相关阿塔卡马宇宙学望远镜DR6的CMB强引力透镜图与斯隆数字巡天BOSS CMASS和LOWZ星系巡天数据，测量E_G统计量以检验引力理论。结果在z_eff = 0.555时得到E_G = 0.31+0.06/-0.05，在z_eff = 0.316时得到E_G = 0.49+0.14/-0.11，与ΛCDM预测及广义相对论一致，系统误差低于5%。

ABSTRACT

We derive new constraints on the $E_G$ statistic as a test of gravity, combining the CMB lensing map estimated from Data Release 6 (DR6) of the Atacama Cosmology Telescope with SDSS BOSS CMASS and LOWZ galaxy data. We develop an analysis pipeline to measure the cross-correlation between CMB lensing maps and galaxy data, following a blinding policy and testing the approach through null and consistency checks. By testing the equivalence of the spatial and temporal gravitational potentials, the $E_G$ statistic can distinguish $\Lambda$CDM from alternative models of gravity. We find $E_G= 0.31^{+0.06}_{-0.05}$ for ACT and CMASS data at 68.28\% confidence level, and $E_G = 0.49^{+0.14}_{-0.11}$ for ACT and LOWZ. Systematic errors are estimated to be 3\% and 4\% respectively. Including CMB lensing information from Planck PR4 results in $E_G = 0.34^{+0.05}_{-0.05}$ with CMASS and $E_G= 0.43^{+0.11}_{-0.09}$ with LOWZ. These are consistent with predictions for the $\Lambda$CDM model that best fits the Planck CMB anisotropy and SDSS BOSS BAO, where $E_G^{ m GR} (z_{ m eff} = 0.555) = 0.401\pm 0.005$ for CMB lensing combined with CMASS and $E_G^{ m GR} (z_{ m eff} = 0.316) = 0.452\pm0.005$ combined with LOWZ. We also find $E_G$ to be scale independent, with PTE $>5\%$, as predicted by general relativity. The methods developed in this work are also applicable to improved future analyses with upcoming spectroscopic galaxy samples and CMB lensing measurements.

研究动机与目标

• 通过CMB强引力透镜与大尺度结构之间的交叉相关，检验广义相对论和ΛCDM引力模型的有效性。
• 利用ACT DR6的高灵敏度CMB强引力透镜图与SDSS BOSS的光谱星系星系图谱，约束E_G统计量。
• 评估E_G测量的尺度无关性及系统误差，以确保对天体物理和仪器偏差的鲁棒性。
• 提供一种独立于普朗克CMB各向异性数据的、具有竞争力的引力约束。

提出的方法

• 使用盲化分析流程，将ACT DR6的CMB强引力透镜收敛图与CMASS和LOWZ星系过密度图进行交叉相关。
• 采用最大似然估计器测量CMB强引力透镜与星系团聚之间的角交叉功率谱。
• 实施盲化策略，并进行零假设检验与一致性检查，以验证分析流程并控制系统误差。
• 使用Fisher矩阵预测估计来自光束、噪声及光谱红移误差的系统不确定性。
• 将结果与普朗克PR4 CMB强引力透镜数据结合，以提高信噪比并更严格地约束E_G。
• 通过拟合优度检验（PTE）评估E_G的尺度无关性，PTE > 5% 表明与广义相对论一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量得到的E_G统计量是否偏离ΛCDM预测，表明广义相对论或修正引力理论失效？
• RQ2 E_G测量是否与广义相对论预测的尺度无关性一致？
• RQ3 光束、噪声及光谱红移误差带来的系统误差如何影响E_G约束？
• RQ4 当与SDSS BOSS星系数据结合时，ACT DR6 CMB强引力透镜图能否提供具有竞争力的引力约束？
• RQ5 本研究结果与基于普朗克的E_G测量及ΛCDM预期相比如何？

主要发现

• 在z_eff = 0.555时，测得E_G = 0.31+0.06/-0.05（68.28%置信区间），与ΛCDM预测值0.401 ± 0.005一致。
• 在z_eff = 0.316时，E_G = 0.49+0.14/-0.11，与ΛCDM预测值0.452 ± 0.005一致。
• 结合普朗克PR4数据后，得到E_G = 0.34+0.05/-0.05（z_eff = 0.555）和E_G = 0.43+0.11/-0.09（z_eff = 0.316），进一步收紧了约束。
• 系统误差估计为CMASS 3%、LOWZ 4%，表明对仪器与天体物理偏差具有鲁棒性。
• E_G统计量被发现具有尺度无关性，拟合优度检验（PTE）> 5%，支持广义相对论。
• 通过零假设检验与一致性检查验证了分析流程的可靠性，确认其适用于未来宇宙学巡天。