Unveiling the Universe with emerging cosmological probes

Living Reviews in Relativity

Review Article

Massimo Della Valle¹  Jeremy Darling²  Maya Fishbach³  Luca Izzo⁴  Alice Pisani⁵  Daniel Holz⁶  Andrea Cimatti⁷  Michele Moresco⁸  Guido Risaliti⁹  Elisabeta Lusso⁹  Piero Rosati^1,10  Claudio Grillo^1,11  Ester Piedipalumbo^1,12  Alkistis Pourtsidou^1,13  Licia Verde^1,14  Raul Jimenez^1,14  Lorenzo Amati^1,15  Lucia Pozzetti^1,15  Massimo Meneghetti^1,16  Michele Cantiello^1,17  Luca Amendola^1,18  Miguel Quartin^1,19  Simon Birrer^2,20  John P. Blakeslee^2,21  Nico Hamaus^2,22 

[1] Capodimonte Astronomical Observatory, INAF-Napoli, Salita Moiariello 16, 80131, Napoli, Italy;International Center for Relativistic Astrophysics, Piazzale della Repubblica 2, 65122, Pescara, Italy;Center for Astrophysics and Space Astronomy, Department of Astrophysical and Planetary Sciences, University of Colorado, 389 UCB, 80309-0389, Boulder, CO, USA;Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA) and Department of Physics and Astronomy, Northwestern University, 1800 Sherman Ave, 60201, Evanston, IL, USA;DARK, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen, Lyngbyvej 2, 2100, Copenhagen, Denmark;Department of Astrophysical Sciences, Princeton University, Peyton Hall, 4 Ivy Lane, 08544, Princeton, NJ, USA;Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, 162 5th Avenue, 10010, New York, NY, USA;The Cooper Union for the Advancement of Science and Art, 41 Cooper Square, 10003, New York, NY, USA;Department of Physics, University of Chicago, 60637, Chicago, IL, USA;Department of Astronomy and Astrophysics, Enrico Fermi Institute, and Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago, 60637, Chicago, IL, USA;Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, Alma Mater Studiorum Università di Bologna, Viale Berti Pichat 6/2, 40127, Bologna, Italy;INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Largo E. Fermi 5, 50125, Firenze, Italy;Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”, Alma Mater Studiorum Università di Bologna, Viale Berti Pichat 6/2, 40127, Bologna, Italy;INAF - Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, via Piero Gobetti 93/3, 40129, Bologna, Italy;Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Firenze, via G. Sansone 1, 50019, Sesto Fiorentino, Florence, Italy;INAF - Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Largo E. Fermi 5, 50125, Firenze, Italy;Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra, Università degli Studi di Ferrara, Via Saragat 1, 44122, Ferrara, Italy;INAF - Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, via Piero Gobetti 93/3, 40129, Bologna, Italy;Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano, via Celoria 16, 20133, Milan, Italy;INAF - IASF Milano, via A. Corti 12, 20133, Milan, Italy;Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Napoli Federico II, Compl. Univ. Monte S. Angelo, 80126, Naples, Italy;Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sez. di Napoli, Compl. Univ. Monte S. Angelo, Edificio 6, via Cinthia, 80126, Naples, Italy;Higgs Centre for Theoretical Physics, School of Physics and Astronomy, The University of Edinburgh, EH9 3FD, Edinburgh, UK;Institute for Astronomy, The University of Edinburgh, Royal Observatory, EH9 3HJ, Edinburgh, UK;Department of Physics and Astronomy, University of the Western Cape, 7535, Cape Town, South Africa;ICCUB, University of Barcelona, 08028, Barcelona, Spain;Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats, Passeig Lluis Companys 23, 08010, Barcelona, Spain;INAF - Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, via Piero Gobetti 93/3, 40129, Bologna, Italy;INAF - Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna, via Piero Gobetti 93/3, 40129, Bologna, Italy;Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, viale Berti Pichat 6/2, 40127, Bologna, Italy;INAF Osservatorio Astr. d’Abruzzo, via Maggini, 64100, Teramo, Italy;Institute of Theoretical Physics, Heidelberg University, Philosophenweg 16, 69120, Heidelberg, Germany;Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 21941-972, Rio de Janeiro, RJ, Brazil;Observatório do Valongo, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 20080-090, Rio de Janeiro, RJ, Brazil;Institute of Theoretical Physics, Heidelberg University, Philosophenweg 16, 69120, Heidelberg, Germany;Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology and Department of Physics, Stanford University, 94305, Stanford, CA, USA;SLAC National Accelerator Laboratory, 94025, Menlo Park, CA, USA;NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab), 85719, Tucson, AZ, USA;Universitäts-Sternwarte München, Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München, Scheinerstraße 1, 81679, Munich, Germany;

关键词: Cosmology;    Dark energy;    Cosmological probes;    Data analysis;   

DOI  :  10.1007/s41114-022-00040-z

 received in 2022-01-17, accepted in 2022-10-08,  发布年份 2022

来源: Springer

【 摘 要 】

The detection of the accelerated expansion of the Universe has been one of the major breakthroughs in modern cosmology. Several cosmological probes (Cosmic Microwave Background, Supernovae Type Ia, Baryon Acoustic Oscillations) have been studied in depth to better understand the nature of the mechanism driving this acceleration, and they are being currently pushed to their limits, obtaining remarkable constraints that allowed us to shape the standard cosmological model. In parallel to that, however, the percent precision achieved has recently revealed apparent tensions between measurements obtained from different methods. These are either indicating some unaccounted systematic effects, or are pointing toward new physics. Following the development of CMB, SNe, and BAO cosmology, it is critical to extend our selection of cosmological probes. Novel probes can be exploited to validate results, control or mitigate systematic effects, and, most importantly, to increase the accuracy and robustness of our results. This review is meant to provide a state-of-art benchmark of the latest advances in emerging “beyond-standard” cosmological probes. We present how several different methods can become a key resource for observational cosmology. In particular, we review cosmic chronometers, quasars, gamma-ray bursts, standard sirens, lensing time-delay with galaxies and clusters, cosmic voids, neutral hydrogen intensity mapping, surface brightness fluctuations, stellar ages of the oldest objects, secular redshift drift, and clustering of standard candles. The review describes the method, systematics, and results of each probe in a homogeneous way, giving the reader a clear picture of the available innovative methods that have been introduced in recent years and how to apply them. The review also discusses the potential synergies and complementarities between the various probes, exploring how they will contribute to the future of modern cosmology.

【 授权许可】

CC BY   
© The Author(s) 2022

【 图 表 】

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