[論文レビュー] Is gravity getting weaker at low z? Observational evidence and theoretical implications

Lavrentios Kazantzidis, Leandros Perivolaropoulos|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、低赤方偏移（z < 0.3）において重力が弱まっている可能性を示唆する観測的証拠を調査し、赤方偏移空間歪み（RSD）データで2–3σの不一致を確認し、Ia型超新星およびCMBデータから弱い支持を得ている。重力の弱まりを説明する可能性として、時間的に変化する有効ニュートン定数 G_eff(z) が提案されているが、ΛCDM背景において重力を強める傾向を示す標準的な修正重力理論（f(R) やスカラータンス理論）では、この弱まりを再現できないことが示されている。

ABSTRACT

Dynamical observational probes of the growth of density perturbations indicate that gravity may be getting weaker at low redshifts $z$. This evidence is at about $2-3σ$ level and comes mainly from weak lensing data that measure the parameter $S_8=σ_8 \sqrt{Ω_{0m}/0.3}$ and redshift space distortion data that measure the growth rate times the amplitude of the linear power spectrum parameter $fσ_8 (z)$. The measured $fσ_8$ appears to be lower than the prediction of General Relativity (GR) in the context of the standard $Λ$CDM model as defined by the Planck best fit parameter values. This is the well known $fσ_8$ tension of $Λ$CDM, which constitutes one of the two main large scale challenges of the model along with the $H_0$ tension. We review the observational evidence that leads to the $fσ_8$ tension and discuss some theoretical implications. If this tension is not a systematic effect it may be an early hint of modified gravity with an evolving effective Newton's constant $G_{eff}$ and gravitational slip parameter $η$. We discuss such best fit parametrizations of $G_{eff}(z)$ and point out that they can not be reproduced by simple scalar-tensor and $f(R)$ modified gravity theories because these theories generically predict stronger gravity than General Relativity (GR) at low $z$ in the context of a $Λ$CDM background $H(z)$. Finally, we show weak evidence for an evolving reduced absolute magnitude of the SnIa of the Pantheon dataset at low redshifts ($z&lt;0.1$) which may also be explained by a reduced strength of gravity and may help resolve the $H_0$ tension.

研究の動機と目的

• 動的プローブを用いて、低赤方偏移（z < 0.3）における重力の弱まりに関する観測的証拠を評価すること。
• ΛCDMにおける fσ8 の不一致が、時間的に変化する有効ニュートン定数 G_eff(z) によって説明可能かどうかを評価すること。
• f(R) やスカラータンス理論などの妥当な修正重力理論が、低 z における弱い重力（観測データが要請するもの）を再現可能かどうかをテストすること。
• RSD、パンセオン SnIa、プランク CMB データといった独立した宇宙論的プローブとの整合性を検証し、変化する G_eff の整合性を評価すること。
• H0 の不一致を解消する可能性および修正重力シナリオの一般的な妥当性についての示唆を検討すること。

提案手法

• 太陽系および核合成の制約を満たすために、高赤方偏移および z=0 で μ → 1 となるように、μ(z) = 1 + ga(1 + z)^n を用いて有効ニュートン定数のパラメータ化された時間的変化を定義する。
• プランク15/ΛCDM背景 H(z) を用い、η=1 を固定し、MGCOSMOMC および MGCAMB を用いてベイズ的パrameter 推定を実行する。
• RSD成長データ（fσ8）、パンセオン SnIa 距離モジュラス、プランク TT CMB 力学スペクトルの3つの独立プローブからの制約を統合する。
• Ω0m および σ8 をプランク15/ΛCDM 値に固定し、(Ω0m, σ8, ga) を変化させて μ の時間的変化を評価する。
• マージナル化された後部分布を用いて、一般相対性理論からの逸脱の有意水準（1σ–3σ）を評価する。
• G_eff(z) の時間的変化が、既知の修正重力モデル（f(R)、ホルンデスキー、スカラータンス理論）と理論的に整合するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の宇宙論的プローブから、低赤方偏移における重力の弱まりに関する独立した観測的証拠は存在するか？
• RQ2 ΛCDMにおける fσ8 の不一致は、時間的に変化する有効ニュートン定数 G_eff(z) によって説明可能か？
• RQ3 標準的な修正重力理論（f(R)、スカラータンス理論）は、観測データが要請するように低 z で弱い重力を予測するか？
• RQ4 RSD、SnIa、CMB データからの制約は、変化する G_eff の支持においてどのように比較されるか？
• RQ5 時間的に変化する G_eff(z) のシナリオは、ΛCDMにおける H0 の不一致を解消するのに役立つだろうか？

主な発見

• RSD データは、低 z（z < 0.3）で弱い重力の2–3σの支持を示しており、μ ≈ 0.5 は G_eff が約50%減少していることを示唆している。
• z < 0.1 におけるパンセオン SnIa データは、弱い重力の2σの兆候を示しており、絶対等級の低下と整合的である。
• l < 30 の低 l におけるプランク CMB データは、μ の時間的変化を1σの範囲に制約しており、μ ≈ 0.99–1.01（1–2%の変動）を支持している。
• RSD と CMB からの ga 制約は2–3σのレベルで不一致しており、単一の時間的変化する μ では fσ8 の不一致を単独で解消できないことが示唆されている。
• 標準的な f(R) やスカラータンス重力モデルは、ΛCDM 背景において低 z で重力を強める傾向を示すため、観測された弱まりとは整合しない。
• 独立したプローブにわたる弱い重力のわずかな支持が重なっていることから、修正重力における時間的変化する μ および η のパラメータ化のさらなる調査が求められる。