[论文解读] Towards Constraints on Dark Energy from Absorption Spectra of Close Quasar Pairs

Adam Lidz, Lam Hui+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2003

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 3

一句话总结

本文提出了一种无需演化假设的新方法，利用近距离类星体对中Lyman-alpha森林吸收的交叉功率谱来约束暗能量，将观测光谱与包含红移空间畸变和热展宽的宇宙学模拟进行比较。尽管基于五对小样本的约束较弱，该方法在约2σ水平上排除了爱因斯坦-德西特模型；若系统误差得到控制，未来对约50对中等分辨率类星体对的观测有望实现对ΩΛ的15% 2σ约束。

ABSTRACT

A comparison between the line of sight power spectrum of absorption in the Lyman-alpha forest and the cross power spectrum between the absorption in neighboring lines of sight offers an evolution-free means to constrain the cosmological constant, or dark energy. Using cosmological simulations, we consider a maximum likelihood method to obtain constraints from this comparison. In our method, measurements of the auto and cross spectra from observations are compared with those from a multi-parameter grid of simulated models of the intergalactic medium. We then marginalize over nuisance parameters to obtain constraints on the cosmological constant. Redshift space distortions due to peculiar velocities and thermal broadening, a potential difficulty in applying this test, are explicitly modeled in our simulations. To illustrate our method, we measure the cross spectrum from a new sample of five close quasar pairs, with separations of 0.5 to 3 arcmin. We attempt to obtain a constraint on Omega_Lambda, but find only weak constraints. An Einstein-de-Sitter cosmology is, however, disfavored by the data at a ~ 2 sigma confidence level. We consider the power of future observations, paying particular attention to the effects of spectral resolution and shot-noise. We find that ~ 50 moderate resolution, FWHM ~ 150 km/s, close separation (~ 30-120 arcsec) pairs should allow a (2 sigma) constraint on Omega_Lambda at the level of 15%, if other modeling parameters are determined through other means. We find that there is a sizeable gain from observing very close, ~ 30 arcsec, separation pairs provided they are observed with high spectral resolution. A sample of ~ 10 such pairs gives similar constraints to the 50 moderate resolution pairs mentioned above.

研究动机与目标

• 开发一种基于近距离类星体对中Lyα森林吸收交叉相关性的宇宙学检验方法，该方法无需依赖宇宙距离阶梯或源演化假设。
• 在宇宙学模拟中建模红移空间畸变和热展宽对三维光学深度功率谱的影响。
• 应用最大似然法，将观测到的自功率谱和交叉功率谱与一组模拟的IGM模型进行比较，以约束ΩΛ。
• 评估未来观测实现对暗能量具有竞争力约束的可行性及所需样本量。

提出的方法

• 使用高动态范围的宇宙学模拟来建模星际介质，包括红移空间畸变和热展宽对光学深度功率谱的影响。
• 构建一个涵盖不同宇宙学参数、初始功率谱振幅和谱指数的多参数模拟模型网格，以匹配观测到的光学深度统计特性。
• 在傅里叶空间中测量模拟的自功率谱和交叉功率谱，使用类星体对的实际红移和角间距。
• 应用最大似然框架，将观测到的自功率谱和交叉功率谱与模拟谱进行比较，对额外参数进行边缘化以约束ΩΛ。
• 使用256³粒子、20.0 Mpc/h盒尺寸的模拟进行结果验证，排除低于基本模和高k波数区域（分辨率不足处）。
• 通过模拟不同观测情景，评估光谱分辨率和星斗噪声对未来约束的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 近距离类星体对中Lyα森林吸收的交叉谱能否提供一种稳健、无需演化假设的宇宙常数约束？
• RQ2 红移空间畸变和热展宽如何影响Lyα森林中三维光学深度功率谱？
• RQ3 当前和未来类星体对样本在ΩΛ上的统计精度能达到何种水平？
• RQ4 类星体对的光谱分辨率和角间距如何影响交叉谱方法的灵敏度？

主要发现

• 基于当前五对近距离类星体对的数据，该方法在约2σ置信水平上排除了爱因斯坦-德西特宇宙学模型。
• 由于样本量有限且交叉谱测量的误差较大，当前对ΩΛ的约束较弱。
• 若其他建模参数被良好确定，约50对中等分辨率类星体对（FWHM ~150 km/s，Δθ ~30′′–120′′）可实现对ΩΛ的15% 2σ约束。
• 若对约10对极近距离类星体对（Δθ ~30′′）进行高光谱分辨率观测，可获得与50对中等分辨率样本相当的约束。
• 高分辨率模拟证实，256³粒子、20.0 Mpc/h盒尺寸的模拟在k > 0.03 s/km波数范围内无法充分解析小尺度功率，但考虑到当前数据的分辨率，这一局限可接受。
• 模拟中样本方差和分辨率限制表明，未来约束需依赖更大体积、更高分辨率的模拟以降低不确定性。