[論文レビュー] Two fundamental cosmological laws of the Local Universe

Yu. V. Baryshev|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、局所宇宙における2つの経験的宇宙論的法則を特定する。すなわち、赤方偏移-距離線形則（z ∝ R）と密度-半径のべき乗則（Γ(r) ∝ r⁻ᵞ）であり、両者とも理論的モデルに依存せずに観測されたものである。主な貢献は、標準宇宙論モデルがハッブル則の基礎として一様性を仮定しているものの、これらの法則が1–100 Mpcのスケールで強く非一様でフラクタル的な構造においても成り立つことによる、そのモデルへの挑戦である。

ABSTRACT

The Local Universe is the most detail studied part of the observable region of space with the radius R about 100 Mpc. There are two empirical fundamental cosmological laws directly established from observations in the Local Universe independently from cosmological theory: first, the Hubble-Humason-Sandage linear redshift-distance law and second, Carpenter- Karachentsev-deVaucouleurs density-radius power-law. Review of modern state of these empirical laws and their cosmological significance is given. Possible theoretical interpretations of the surprising coexistence of both laws at the spatial scales from 1 Mpc to 100 Mpc are discussed. Comparison of the standard space-expansion explanation of the cosmological redshift with possible global gravitational redshift model is given

研究の動機と目的

• 理論的モデルに依存せずに、局所宇宙で観測された2つの根本的な経験的宇宙論的法則を確立し、レビューすること。
• 1–100 Mpcの領域における赤方偏移-距離線形則と密度-半径べき乗則の共存が示す宇宙論的意義を調査すること。
• ハッブル則が大規模な一様性から生じるとする標準宇宙論モデルの仮定に反し、非一様でフラクタル的な構造においてもハッブル則が成り立つことから、その仮定を挑戦すること。
• これらの法則の理論的解釈を検討し、空間の拡張とグローバル重力赤方偏移モデルの両方を含む。
• 宇宙論的拡張とグローバル重力赤方偏移を区別するための直接的観測的テストを提案・評価すること。

提案手法

• 局所ボリューム（1–100 Mpc）の869個の銀河距離の観測データを分析し、赤方偏移-距離線形関係を検証すること。
• 完全な相関関数 Γ(r) を用いて銀河のクラスタリングを定量化し、べき乗則による密度-半径関係 Γ(r) ∝ r⁻ᵞ を導出すること。
• ハッブル＝フマソン＝サンドージ則（z = H_loc × R / c）を用い、宇宙論的赤方偏移を仮想的径方向速度として表現すること。
• 空間拡張モデルとグローバル重力赤方偏移モデルを比較し、両者とも同じ赤方偏移-距離関係を再現できることを示すこと。
• 提案された直接的テストの評価：サンドージの z(t) テスト（dz/dt ∼ 1 cm s⁻¹/yr）とコペイキンの Δν/ν テスト（H₀ = 70 km s⁻¹/Mpc の場合 Δν/ν ≈ 4×10⁻¹⁵）。
• 高精度な太陽系追跡データと、将来的なミッション（PHARAOなど）を用い、宇宙論的周波数ドリフトをグローバル拡張から検出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い非一様性とフラクタル的な銀河分布が存在するにもかかわらず、なぜ局所宇宙で赤方偏移-距離線形則が成り立つのか？
• RQ2 大規模構造形成の文脈において、密度-半径べき乗則 Γ(r) ∝ r⁻ᵞ の物理的起源は何か？
• RQ3 宇宙論的赤方偏移は、空間の拡張ではなくグローバル重力赤方偏移によって説明可能であり、それが観測的に区別可能か？
• RQ4 宇宙論的スケールでの空間拡張の物理的実在性を確認または除外するための直接的観測的テストは何か？
• RQ5 局所宇宙の経験的法則は、標準宇宙論モデルの基礎的仮定たる一様性にどのように挑戦するか？

主な発見

• ハッブル＝フマソン＝サンドージの線形赤方偏移-距離則（z = H_loc × R / c）は、H_loc = 72 ± 3 km s⁻¹/Mpc の条件下で、局所ボリュームの156個の銀河に対して強く裏付けられた。
• 密度-半径べき乗則 Γ(r) ∝ r⁻ᵞ は局所宇宙で観測され、2MRS調査のVL2Nサンプルでは γ ≈ 1 である。
• 赤方偏移-距離線形則は、銀河分布が強く非一様でフラクタル的である1–10 Mpcのスケールでも成立しており、標準モデルが一様性に依存するという仮定に反する。
• 空間拡張モデルとグローバル重力赤方偏移モデルは、同じ赤方偏移-距離関係を再現するため、距離-時間測定がなければ観測的に退化している。
• 空間拡張の核心的テストとして、将来的な極大望遠鏡（ELT）観測を用いた赤方偏移時間微分（dz/dt ∼ 1 cm s⁻¹/yr）の測定が提案された。
• 太陽系内では10³秒間で Δν/ν ≈ 4×10⁻¹⁵ の周波数ドリフトが予想され、PHARAOのような原子時計実験により宇宙論的拡張を検出可能であり、非拡張宇宙ではゼロのドリフトが予想される。