[論文レビュー] Testing the cosmological principle with the Pantheon+ sample and the region-fitting method

Jian-Ping Hu, Yuyang Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2023

Statistical and numerical algorithmsMathematics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、パンセオン+超新星サンプルと領域フィッティング法を用いて、宇宙原理を検証し、天の川全域における宇宙論的パラメータの顕著な非等方性を明らかにした。宇宙の膨張における局所的物質の低密度領域は(308.4°, -18.2°)に特定され、宇宙の非等方性の優位な方向は(313.4°, -16.8°)に特定され、それぞれ2.78σおよび3.96σの統計的有意水準を示しており、宇宙の膨張に非一様性が存在する可能性を示唆している。

ABSTRACT

The cosmological principle is fundamental to the standard cosmological model. It assumes that the Universe is homogeneous and isotropic on very large scales. As the basic assumption, it must stand the test of various observations. In this work, using the region fitting (RF) method, we mapped the all-sky distribution of cosmological parameters ($Ω_{m}$ and $H_{0}$) and find that the distribution significantly deviates from isotropy. A local matter underdensity region exists toward (${308.4^{\circ}}$$_{-48.7}^{+47.6}$, ${-18.2^{\circ}}$$_{-28.8}^{+21.1}$) as well as a preferred direction of the cosmic anisotropy (${313.4^{\circ}}$$_{-18.2}^{+19.6}$, ${-16.8^{\circ}}$$_{-10.7}^{+11.1}$) in galactic coordinates. Similar directions may imply that local matter density might be responsible for the anisotropy of the accelerated expansion of the Universe. Results of statistical isotropy analyses including Isotropy and Isotropy with real-data positions (RP) show high confidence levels. For the local matter underdensity, the statistical significances are 2.78$σ$ (isotropy) and 2.34$σ$ (isotropy RP). For the cosmic anisotropy, the statistical significances are 3.96$σ$ (isotropy) and 3.15$σ$ (isotropy RP). The comparison of these two kinds of statistical isotropy analyses suggests that inhomogeneous spatial distribution of real sample can increase the deviation from isotropy. The similar results and findings are also found from reanalyses of the low-redshift sample (lp+) and the lower screening angle ($θ_\mathrm{max}$ = 60$^{\circ}$), but with a slight decrease in statistical significance. Overall, our results provide clear indications for a possible cosmic anisotropy. This possibility must be taken seriously. Further testing is needed to better understand this signal.

研究の動機と目的

• 最新のパンセオン+超新星サンプルを用いて、大規模な均一性と等方性の仮定である宇宙原理を検証すること。
• Ia型超新星の分布における空間的非一様性が、宇宙論的パラメータの制約に与える影響を調査すること。
• 領域フィッティング法を用いて、天の川全域におけるハッブル定数と物質密度の非等方性を検出すること。
• 局所的低密度領域や優位な方向が、ハッブル・トランシェンスや他の宇宙論的不審な現象を説明できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 領域フィッティング（RF）法は、空を角度領域に分割し、各領域で宇宙論的パラメータ（ΩₘおよびH₀）を独立に推定する。
• パンセオン+サンプルの赤方偏移および天の川座標の分布を分析し、空間的非一様性を評価する。
• 実データの位置（RP）と等方性の仮定を用いて、非等方性のずれを定量化するための統計的等方性検定を実施する。
• 全パンセオン+サンプル、低赤方偏移サブサンプル（lp+）、およびスクリーニング角を縮小した（θₘₐₓ = 60°）条件の比較を通じて、結果の妥当性を検証する。
• 宇宙論的パラメータは、全体的にΩₘ = 0.36 ± 0.02およびH₀ = 72.83 ± 0.23 km s⁻¹ Mpc⁻¹として制約される。
• 非等方性および低密度領域の有意水準は、等方性と等方性＋実データ位置の両テストを用いて算出され、実データ分布の影響を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パンセオン+超新星サンプルの空間的分布は、宇宙論的パラメータにおいて顕著な非等方性を示すか？
• RQ2 統計的等方性から逸脱する、宇宙の膨張速度における優位な方向は存在するか？
• RQ3 局所的物質の低密度領域が、観測されたハッブル定数の非等方性を説明できるか？
• RQ4 実際の空間的分布を考慮した場合、非等方性の統計的有意水準はどのように変化するか？
• RQ5 異なるサンプル選択や角度カットオフを用いた場合、結果は同様に成立するか？

主な発見

• 平坦なΛCDMモデル下で、パンセオン+サンプルは全体的にΩₘ = 0.36 ± 0.02およびH₀ = 72.83 ± 0.23 km s⁻¹ Mpc⁻¹の制約を得た。
• ガリレオ座標系で(308.4°, -18.2°)に局所的物質の低密度領域が特定され、等方性下では2.78σ、実データ位置を考慮した等方性下では2.34σの有意水準を示した。
• 宇宙の非等方性の優位な方向は(313.4°, -16.8°)に特定され、等方性下では3.96σ、実データ位置を考慮した等方性下では3.15σの有意水準を示した。
• 実データの空間的分布を組み込むことで、等方性からのずれが顕著に増大した。これは、非一様なサンプリングが非等方性信号を強化することを示唆している。
• 低赤方偏移サブサンプル（lp+）およびスクリーニング角を縮小した（θₘₐₓ = 60°）条件でも、同様の非等方性信号が観測されたが、有意水準はわずかに低下した。
• 結果は、宇宙の非等方性に強く根拠を示しており、宇宙原理が大規模スケールで破れている可能性を示唆しており、KBC空洞のような局所的非一様性が原因である可能性がある。