[論文レビュー] Solar system peculiar motion from the Hubble diagram of quasars and testing the Cosmological Principle

Ashok K. Singal|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 46被引用数 24

ひとこと要約

本研究は、中赤外線クェーサー約12万個のマグニチュード赤方偏移（m−z）ハッブル図を用いて、観測者運動に起因するドップラー補正を施し、太陽系の特異速度を初めて決定した。得られた特異速度は、CMBRダイポール値の約22倍に達するが、2σ以内で一致しており、宇宙に優位な方向性が存在する可能性を示唆する。これは、系(systematic)効果が除外された場合、宇宙論的原理を挑戦するものである。

ABSTRACT

We determine here peculiar motion of the Solar system, first time from the $m-z$ Hubble diagram of quasars. Observer's peculiar motion causes a systematic shift in the $m-z$ plane between sources lying along the velocity vector and those in the opposite direction, providing a measure of the peculiar velocity. Accordingly, from a sample of $\sim 1.2 imes 10^5$ mid-infrared quasars with measured spectroscopic redshifts, we arrive at a peculiar velocity $\sim 22$ times larger than that from the CMBR dipole, but direction matching within $\sim 2\sigma$. Previous findings from number count, sky brightness or redshift dipoles observed in samples of distant AGNs or SNe Ia too had yielded values two to ten times larger than the CMBR value, %but this by far is the largest value arrived at for the peculiar motion, though the direction in all cases agreed with the CMBR dipole. Since a genuine solar peculiar velocity cannot vary from one dataset to the other, an order of magnitude, statistically significant, discordant dipoles, might imply that we may instead have to look for some other cause for the genesis of these dipole, including that of the CMBR. At the same time, a common direction for all these dipoles, determined from completely independent surveys by different groups employing different techniques, might indicate that these dipoles are not resulting from some systematics in the observations or in the data analysis, but could instead suggest a preferred direction in the Universe due to an inherent anisotropy, which, in turn, would be against the Cosmological Principle (CP), the most basic tenet of the modern cosmology.

研究の動機と目的

• CMBRダイポールとは異なる独立した手法として、クェーサーのm−zハッブル図を用いて太陽系の特異速度を決定すること。
• クェーサーデータに観測されたダイポール非等方性が、真の特異運動を反映しているのか、あるいは系(systematic)効果に起因するのかを検証すること。
• AGN、SNe Ia、クェーサーからの複数の独立したダイポールが同じ方向を向いているかどうかを調査し、それが宇宙に優位な方向性を示し、宇宙論的原理に反する可能性があるかを検討すること。
• 異なる宇宙論的プローブおよびデータセットにおける特異速度推定値の整合性を評価すること。
• ダイポール振幅の大きな乖離（最大でCMBRの22倍）が、CMBRダイポールの非力学的起源、あるいは宇宙の等方性の根本的違反を示唆するのかを評価すること。

提案手法

• 校正系(systematic)効果を最小限に抑えるために、分光的赤方偏移と単一機器によるマグニチュード測定を持つ約1.2×10⁵個の中赤外線クェーサーのサンプルを用いる。
• ドップラー効果モデルを適用：観測者の特異速度に起因するドップラー補正により、観測光度と赤方偏移がずれ、m−z平面に系統的ずれが生じる。
• 各クェーサーの天球方向への特異速度ベクトルの射影を行い、その結果生じる光度変調を S = S₀(1 − (v/c)cosθ)⁻² としてモデル化する。
• 特異運動の極方向の半球と反対半球におけるクェーサーのm−z平面内分布を比較し、ダイポールシフトを検出する。
• クェーサーのハッブル図から観測されたダイポール振幅と方向を、CMBR、SNe Ia、AGN調査の結果と比較する。
• 誤差楕円および統計的有意水準（σ）を用いて、独立したデータセット間での方向的一致性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クェーサーのm−zハッブル図から導かれた太陽系の特異速度は、CMBRダイポールから推定された値と整合的か？
• RQ2 クェーサー、SNe Ia、AGNで観測されたダイポールは同じ方向を向いているのか？ これはその起源に何を示唆するか？
• RQ3 ダイポール振幅の大きな乖離（例：CMBRの22倍）は、系のバイアスまたは宇宙論的原理の違反を示唆するのか？
• RQ4 独立した調査および機器からのダイポールの一致は、宇宙に優位な方向性の証拠となるか？
• RQ5 複数の独立したプローブがより大きく、同方向のダイポールを示す場合、CMBRダイポールの力学的起源が依然として最も妥当な説明であると考えられるか？

主な発見

• クェーサーのm−zハッブル図から導かれた太陽系の特異速度は、CMBRダイポール値（370 km s⁻¹）の約22倍に達し、約8,140 km s⁻¹の値を示した。
• クェーサーのダイポール方向は、CMBRダイポール方向（右帰算RA=168°、赤緯Dec=−7°）と2σ以内に一致しており、強い方向的一致性を示した。
• クェーサーのダイポールは、SNe Ia や AGN と同様に、CMBRダイポールと同じ方向を向いており、振幅の差が最大で1桁に達するにもかかわらずそうである。
• クェーサー、SNe Ia、AGN、電波源など、独立したデータセット間での方向的一致性は、ダイポールがランダムな系の誤差やデータアーチファクトによるものではないことを示唆する。
• 異なるプローブから得られたダイポールが、振幅の大きな乖離にもかかわらず、一貫した方向性を示し続けることは、宇宙に優位な方向性が存在する可能性を示唆し、宇宙論的原理に挑戦するものである。
• この結果は、CMBRダイポールが純粋に力学的起源であるとは限らず、初期宇宙の非等方性や非標準的宇宙論的要因によるものである可能性を再考する必要があることを示唆している。