[論文レビュー] The largest structure of the Universe, defined by Gamma-Ray Bursts

I. Horváth, Jon Hakkila+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2013

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 15被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、赤方偏移 1.6 < z < 2.1 の範囲に分布する31個のガンマ線バースト（GRBs）の空間的クラスタリングに基づき、現在知られている最大の構造体が存在することを提案している。2次元コルモゴロフ＝スミルノフ検定と二項確率を用いて、空における約1/8の領域にGRBが統計的に有意に集中していることが判明し、p値は 0.0000055 であった。これは、約100億光年も離れた、100億光年にも及ぶ巨大で一貫性のある構造を示唆しており、スローン・グレート・ウォールの6倍も大きい。

ABSTRACT

Research over the past three decades has revolutionized the field of cosmology while supporting the standard cosmological model. However, the cosmological principle of Universal homogeneity and isotropy has always been in question, since structures as large as the survey size have always been found as the survey size has increased. Until now, the largest known structure in our Universe is the Sloan Great Wall (SGW), which is more than 400 Mpc long and located approximately one billion light-years away. Here we report the discovery of a structure at least six times larger than the Sloan Great Wall that is suggested by the distribution of gamma-ray bursts (GRBs). Gamma-ray bursts are the most energetic explosions in the Universe. They are associated with the stellar endpoints of massive stars and are found in and near distant galaxies. Therefore, they are very good indicators of the dense part of the Universe containing normal matter. As of July 2012, 283 GRB redshifts have been measured. If one subdivides this GRB sample into nine radial parts and compares the sky distributions of these subsamples (each containing 31 GRBs), one can observe that the fourth subsample (1.6 &lt; z &lt; 2.1) differs significantly from the others in that many of the GRBs are concentrated in the same angular area of the sky. Using the two-dimensional Kolmogorov-Smirnov test, the significance of this observation is found to be less than 0.05 per cent. Fourteen out of the 31 Gamma-Ray Bursts in this redshift band are concentrated in approximately 1/8 of the sky. The binomial probability to find such a deviation is p=0.0000055. This huge structure lies ten times farther away than the Sloan Great Wall, at a distance of approximately ten billion light-years. The size of the structure defined by these GRBs is about 2000-3000 Mpc, or more than six times the size of the largest known object (SGW) in the Universe.

研究の動機と目的

• スローン・グレート・ウォールを越える、現在知られている最大の構造体である、宇宙の大規模構造を調査すること。
• 極めて遠方の宇宙における構造を調査することで、普遍的な均一性と等方性の宇宙論的原理を検証すること。
• ガンマ線バースト（GRBs）が、密度の高い物質のトレーサーとして機能し、これまでに検出されていなかった大規模構造を明らかにできるかを検討すること。
• 赤方偏移の各階層におけるGRB分布の空間的クラスタリングの統計的有意性を評価し、潜在的な宇宙構造を同定すること。

提案手法

• 著者らは、283個の測定済みのGRB赤方偏移を、9つの径方向の赤方偏移階層に分け、それぞれに31個のGRBが含まれるようにした。これにより、宇宙の時間的経過に伴う角度分布を分析した。
• 4番目の赤方偏移階層（1.6 < z < 2.1）の空における分布を、他の8つの階層と比較するために、2次元コルモゴロフ＝スミルノフ検定を適用した。
• 14個のGRBが約1/8の空域に集中している確率を評価するために、二項確率が計算された。
• GRBは、遠方の銀河における大質量星形成に関連しているため、通常の物質のトレーサーとしての役割を果たすとされた。
• 観測されたクラスタリングから導かれるp値を用いて統計的有意性を評価した。p < 0.05% がランダム性からの著しい逸脱を示すとされた。
• 構造のサイズは、赤方偏移範囲と角度的広がりから推定され、2000–3000 Mpc のスケールとなった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定の赤方偏移範囲において、ガンマ線バーストに統計的に有意な大規模クラスタリングが存在するか。これは一貫性のある宇宙構造を示唆するか？
• RQ2 現在知られている最大の構造体のサイズは、スローン・グレート・ウォールと比べてどの程度か。GRBはより大きな構造を明らかにできるか？
• RQ3 1/8の空域に集中しているGRBの観測確率が、ランダム分布によるものである可能性はどの程度か？
• RQ4 z ≈ 1.8 におけるGRBの空間的分布は、大規模均一性の宇宙論的原理を脅かすものか？
• RQ5 GRBは、遠方宇宙におけるバリオン物質の大規模分布をマッピングするための信頼できるトレーサーとして機能できるか？

主な発見

• 4番目の赤方偏移階層（1.6 < z < 2.1）には31個のGRBが含まれており、そのうち14個が約1/8の空域に集中しており、顕著な空間的クラスタリングを示している。
• 2次元コルモゴロフ＝スミルノフ検定により、均一性からの観測された逸脱の統計的有意性は0.05%未満であった。
• このようなクラスタリングが偶然に発生する確率は p = 0.0000055 であり、極めて高い統計的有意性を示している。
• 得られた構造のサイズは推定で2000–3000 Mpc に達し、スローン・グレート・ウォールの6倍以上も大きい。
• この構造は約100億光年の距離に位置しており、スローン・グレート・ウォールの10億光年よりもはるかに遠方にある。
• この発見は、初期宇宙に一貫性があり、巨大な構造が存在することを示唆しており、大規模均一性の仮定に疑問を呈するものである。