[論文レビュー] Hints for a gravitational constant transition in Tully-Fisher data

George Alestas, Ioannis Antoniou+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 82被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、更新されたTully–Fisher関係（TFR）データセットからの証拠を提示し、約9 Mpcおよび17 Mpcの臨界距離において有効重力定数の遷移が生じる可能性を示唆している。2つのサブサンプルの最適フィット傾きと切片における緊張度は3.5𝜎を超え、モンテカルロシミュレーションにおいても安定した結果であり、これらの閾値を超えた距離では重力定数の低下ΔG/G ≈ -0.1が予想される。これは、ハッブル定数の緊張を解消するための新しいメカニズムを提供する。

ABSTRACT

We use an up to date compilation of Tully-Fisher data to search for transitions in the evolution of the Tully-Fisher relation. Using an up to date data compilation, we find hints at $\approx 3σ$ level for a transition at critical distances $D_c \simeq 9 Mpc$ and $D_c \simeq 17 Mpc$. We split the full sample in two subsamples according to the measured galaxy distance with respect to a splitting distance $D_c$ and identify the likelihood of the best fit slope and intercept of one sample with respect to the best fit corresponding values of the other sample. For $D_c \simeq 9 Mpc$ and $D_c \simeq 17 Mpc$ we find a tension between the two subsamples at a level of $Δχ^2 > 17\; (3.5σ)$. Using a Monte-Carlo simulation we demonstrate that this result is robust with respect to random statistical and systematic variations of the galactic distances. If the tension is interpreted as due to a gravitational strength transition, it would imply a shift of the effective gravitational constant to lower values for distances larger than $D_c$ by $\frac{ΔG}{G}\simeq -0.1$. Such a shift is of the anticipated sign and magnitude but at somewhat lower distance (redshift) than the gravitational transition recently proposed to address the Hubble and growth tensions ($\frac{ΔG}{G}\simeq -0.1$ at transition redshift $z_t\lesssim 0.01$ ($D_c\lesssim 40 Mpc$)).

研究の動機と目的

• Tully–Fisher関係（TFR）における遷移が有効重力定数の変化を示唆する可能性を調査すること。
• 異なる距離におけるサブサンプル間のTFRの傾きと切片に観察された緊張度が、統計的に有意であり、ランダムな変動によるものでないかを検証すること。
• このような遷移が低赤方偏移において重力を修正することで、ハッブル定数の緊張を解消できるかを評価すること。
• 銀河距離測定における統計的および系貫的誤差の影響を考慮した場合、観測された緊張度がどの程度頑健であるかを評価すること。

提案手法

• 著者らは、包括的なTFRデータセットを臨界距離Dc ≈ 9 MpcおよびDc ≈ 17 Mpcに基づいて2つのサブサンプルに分割した。
• 各サブサンプルの最適フィット傾きと切片を求めるためにχ²最小化を実行し、それらの差異Δχ²を評価することで統計的緊張度を測定した。
• ランダムな統計的変動および銀河距離の系統的誤差を含むモンテカルロシミュレーションを用いて、観測された緊張度の頑健性をテストした。
• 有効重力定数は、表面密度を一定と仮定したもとで、関係式A_B ∝ G_eff^(-2) を用いてTFRの切片と傾きから推定した。
• 分析では、Baryonic TFR（BTFR）をG_effのプローブとして用い、A_Bおよびsは観測された回転速度とバリオン質量から導出した。
• 緊張度はΔχ² > 17、すなわち3.5σの有意水準に対応し、重力法則における非一様な挙動を示唆している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の臨界距離においてTully–Fisher関係に統計的に有意な遷移が存在するか？
• RQ2 有効重力定数の変化が、近傍銀河とより遠方の銀河間で観測されたTFRパラメータの緊張度を説明できるか？
• RQ3 銀河距離測定における統計的フラクチュエーションおよび系統的誤差に対して、観測された緊張度は頑健か？
• RQ4 Dc ≈ 9 MpcおよびDc ≈ 17 Mpcにおける推定された重力定数の遷移は、ハッブル定数の緊張を解消するための提案された解決策と整合性があるか？
• RQ5 バリオン質量Tully–Fisher関係は、重力定数の変動を制約するのに用いられるか？

主な発見

• Dc ≈ 9 MpcおよびDc ≈ 17 Mpcで分割されたサブサンプル間でTFRパラメータの緊張度が確認され、Δχ² > 17、3.5σの有意水準に対応している。
• ランダムな統計的および系統的変動を含むモンテカルロシミュレーションにおいても、この緊張度は頑健であることが示され、データの不確実性に起因するものではないとされる。
• 観測された緊張度は、有効重力定数の遷移を示唆しており、Dcを超えた距離ではΔG/G ≈ -0.1であり、大規模スケールで重力相互作用が弱まることを示唆している。
• Dc ≈ 9–17 Mpcにおける推定された遷移スケールは、最近の提案と一致しており、z ≲ 0.01における重力定数の遷移によってハッブル定数の緊張を解消するものである。
• この結果は、バリオン質量Tully–Fisher関係が、特に低赤方偏移の近傍銀河に適用された場合、基礎的重力物理学の感受性の高いプローブであることに整合している。
• これらの発見は、低赤方偏移における重力の強さの遷移がハッブル定数の緊張を緩和できる可能性を示唆し、宇宙論的不一致を解消するための新しい現象論的アプローチを提供する。