Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Prospects for cosmological constraints using gravitational wave memory

Published 28 Feb 2024 in gr-qc, astro-ph.CO, and hep-th | (2402.18083v3)

Abstract: The {\Lambda}CDM model has long served as a robust and predictive framework for cosmology, successfully explaining a wide range of observations, including the accelerated expansion of the Universe. However, discrepancies in cosmological parameter estimates and recent findings, such as those from DESI, hint at potential deviations from {\Lambda}CDM. Gravitational wave (GW) observations offer an independent method to probe the nature of dark energy, leveraging GWs from compact binary mergers as standard candles. In this study, we demonstrate that the integrated GW memory over cosmological distances encodes a unique imprint of the background spacetime. Unlike previous analyses, our approach captures non-linear dependencies on cosmological quantities, resulting in an enhancement of the integrated GW memory by a factor of 100 for high-redshift sources well within the sensitivity range of next-generation detectors like Cosmic Explorer and the Einstein Telescope. We find that despite the diminishing strength of individual GWs at high redshifts, their cumulative effect leads to a significant amplification, akin to the integrated Sachs-Wolfe effect, offering a potential new avenue for cosmological studies. By examining a range of dark energy models, we reveal that GW memory is potentially highly sensitive to the underlying cosmological framework, making it a promising probe of dark energy. This novel approach presents the possibility of a fresh perspective to address persistent cosmological tensions, and the nature of dark energy.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (65)
  1. S. Weinberg, Cosmology, Oxford Graduate Texts (Oxford University Press, 2008).
  2. P. Peter and J.-P. Uzan, Primordial Cosmology, Oxford Graduate Texts (Oxford University Press, 2013).
  3. M. J. Rees, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 60, 1 (2022).
  4. F. Melia, Publ. Astron. Soc. Pac. 134, 121001 (2022).
  5. J. Ellis and D. Wands,   (2023), arXiv:2312.13238 [astro-ph.CO] .
  6. S. Rajendran, SciPost Phys. Lect. Notes 56, 1 (2022), arXiv:2204.03085 [hep-ph] .
  7. B. Carr and F. Kuhnel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 70, 355 (2020), arXiv:2006.02838 [astro-ph.CO] .
  8. V. Sahni and A. A. Starobinsky, Int. J. Mod. Phys. D 9, 373 (2000), arXiv:astro-ph/9904398 .
  9. P. J. E. Peebles and B. Ratra, Rev. Mod. Phys. 75, 559 (2003), arXiv:astro-ph/0207347 .
  10. T. Padmanabhan, Phys. Rept. 380, 235 (2003), arXiv:hep-th/0212290 .
  11. S. Weinberg, Rev. Mod. Phys. 61, 1 (1989).
  12. S. Weinberg, in 4th International Symposium on Sources and Detection of Dark Matter in the Universe (DM 2000) (2000) pp. 18–26, arXiv:astro-ph/0005265 .
  13. S. M. Carroll, Living Rev. Rel. 4, 1 (2001), arXiv:astro-ph/0004075 .
  14. M. Kamionkowski and A. G. Riess, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 73, 153 (2023), arXiv:2211.04492 [astro-ph.CO] .
  15. S. Shankaranarayanan and J. P. Johnson, Gen. Rel. Grav. 54, 44 (2022), arXiv:2204.06533 [gr-qc] .
  16. B. S. Sathyaprakash and B. F. Schutz, Living Rev. Rel. 12, 2 (2009), arXiv:0903.0338 [gr-qc] .
  17. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017b), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
  18. C. de Rham and S. Melville, Phys. Rev. Lett. 121, 221101 (2018), arXiv:1806.09417 [hep-th] .
  19. J. M. Ezquiaga and M. Zumalacárregui, Phys. Rev. Lett. 119, 251304 (2017), arXiv:1710.05901 [astro-ph.CO] .
  20. J. Sakstein and B. Jain, Phys. Rev. Lett. 119, 251303 (2017), arXiv:1710.05893 [astro-ph.CO] .
  21. B. F. Schutz, Nature 323, 310 (1986).
  22. W. Del Pozzo, Phys. Rev. D 86, 043011 (2012), arXiv:1108.1317 [astro-ph.CO] .
  23. V. B. Braginsky and L. P. Grishchuk, Sov. Phys. JETP 62, 427 (1985).
  24. M. Favata, Class. Quant. Grav. 27, 084036 (2010), arXiv:1003.3486 [gr-qc] .
  25. Y. B. Zel’dovich and A. G. Polnarev, Sov. Astron. 18, 17 (1974).
  26. D. Christodoulou, Phys. Rev. Lett. 67, 1486 (1991).
  27. V. B. Braginskii and K. S. Thorne, Nature 327, 123 (1987).
  28. M. Favata, Astrophys. J. Lett. 696, L159 (2009), arXiv:0902.3660 [astro-ph.SR] .
  29. A. Strominger and A. Zhiboedov, JHEP 01, 086 (2016a), arXiv:1411.5745 [hep-th] .
  30. E. E. Flanagan and D. A. Nichols, Phys. Rev. D 95, 044002 (2017), [Erratum: Phys.Rev.D 108, 069902 (2023)], arXiv:1510.03386 [hep-th] .
  31. D. A. Nichols, Phys. Rev. D 95, 084048 (2017), arXiv:1702.03300 [gr-qc] .
  32. A. Strominger, Lectures on the Infrared Structure of Gravity and Gauge Theory (2017) arXiv:1703.05448 [hep-th] .
  33. G. Compère and A. Fiorucci,   (2018), arXiv:1801.07064 [hep-th] .
  34. K. S. Thorne, Phys. Rev. D 45, 520 (1992).
  35. A. G. Wiseman and C. M. Will, Phys. Rev. D 44, R2945 (1991).
  36. A. C. Jenkins and M. Sakellariadou, Class. Quant. Grav. 38, 165004 (2021), arXiv:2102.12487 [gr-qc] .
  37. G. M. Shore, JHEP 12, 133 (2018), arXiv:1811.08827 [gr-qc] .
  38. I. Chakraborty, Phys. Rev. D 105, 024063 (2022), arXiv:2110.02295 [gr-qc] .
  39. A. Tolish and R. M. Wald, Phys. Rev. D 94, 044009 (2016), arXiv:1606.04894 [gr-qc] .
  40. Y.-Z. Chu, Class. Quant. Grav. 34, 035009 (2017), arXiv:1603.00151 [gr-qc] .
  41. A. Kehagias and A. Riotto, JCAP 05, 059 (2016), arXiv:1602.02653 [hep-th] .
  42. S. Jana and S. Shankaranarayanan, Phys. Rev. D 108, 024044 (2023), arXiv:2301.11772 [gr-qc] .
  43. H. van Elst and G. F. R. Ellis, Class. Quant. Grav. 13, 1099 (1996), arXiv:gr-qc/9510044 .
  44. G. F. R. Ellis, J. Math. Phys. 8, 1171 (1967).
  45. C. A. Clarkson and R. K. Barrett, Class. Quant. Grav. 20, 3855 (2003), arXiv:gr-qc/0209051 .
  46. C. Clarkson, Phys. Rev. D 76, 104034 (2007), arXiv:0708.1398 [gr-qc] .
  47. R. Goswami and G. F. R. Ellis, Class. Quant. Grav. 38, 085023 (2021), arXiv:1912.00591 [gr-qc] .
  48. R. Owen et al., Phys. Rev. Lett. 106, 151101 (2011a), arXiv:1012.4869 [gr-qc] .
  49. R. Maartens and B. A. Bassett, Class. Quant. Grav. 15, 705 (1998), arXiv:gr-qc/9704059 .
  50. L. Bieri and D. Garfinkle, Phys. Rev. D 89, 084039 (2014), arXiv:1312.6871 [gr-qc] .
  51. A. Strominger and A. Zhiboedov, JHEP 01, 086 (2016b), arXiv:1411.5745 [hep-th] .
  52. S. J. Kovacs and K. S. Thorne, Astrophys. J. 224, 62 (1978).
  53. D. A. Nichols et al., Phys. Rev. D 84, 124014 (2011), arXiv:1108.5486 [gr-qc] .
  54. P. Mavrogiannis and C. G. Tsagas, Phys. Rev. D 104, 124053 (2021), arXiv:2110.02489 [gr-qc] .
  55. A. G. Riess et al. (Supernova Search Team), Astron. J. 116, 1009 (1998), arXiv:astro-ph/9805201 .
  56. S. Perlmutter et al. (Supernova Cosmology Project), Astrophys. J. 517, 565 (1999), arXiv:astro-ph/9812133 .
  57. D. J. Eisenstein et al. (SDSS), Astrophys. J. 633, 560 (2005), arXiv:astro-ph/0501171 .
  58. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  59. G. F. R. Ellis and H. van Elst, NATO Sci. Ser. C 541, 1 (1999), arXiv:gr-qc/9812046 .
  60. O. Heckmann and E. Schucking, zap 38, 95 (1955).
  61. A. Raychaudhuri, Physical Review 98, 1123 (1955).
  62. S. W. Hawking, Astrophys. J. 145, 544 (1966).
  63. R. Owen et al., Phys. Rev. Lett. 106, 151101 (2011b), arXiv:1012.4869 [gr-qc] .
  64. T. Biswas and A. Mazumdar, Class. Quant. Grav. 31, 025019 (2014), arXiv:1304.3648 [hep-th] .
  65. A. Basak and S. Shankaranarayanan, JCAP 05, 034 (2015), arXiv:1410.5768 [hep-ph] .

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 7 likes about this paper.

Sign Up for Free