[논문 리뷰] A response to Rubin & Heitlauf: "Is the expansion of the universe accelerating? All signs still point to yes"

J. Colin, Roya Mohayaee외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 09.

Space Science and Extraterrestrial Life인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 타입 Ia 초신성 데이터가 등방성 우주 가속을 뒷받침하는 증거로 간주되는 것에 도전하며, 명백한 단극자 가속(어두운 에너지로 기인된 것으로 여겨짐)이 유의미한 보정 이후에만 나타나며, 적색이동과 광곡선 매개변수에 대한 임의의 보정이 필요하다고 주장한다. CMB 기준프레임으로의 적색이동 보정과 샘플/적색이동에 의존하는 광곡선 모델링을 거친 후에도, 등방성 가속의 유의미성은 3σ 이하에 머문다. 이는 탈속도수의 기여로 기인된 탈속도의 이방성 신호가 어두운 에너지의 증거가 아니라 실제 신호일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We have shown (Colin et al., 2019) that the acceleration of the Hubble expansion rate inferred from Type Ia supernovae (SNe Ia) is, at $3.9\\sigma$ significance, a dipole approximately aligned with the CMB dipole, while its monopole component, which can be interpreted as due to a Cosmological Constant or dark energy, is consistent with zero at $1.4\\sigma$. This has been challenged by Rubin & Heitlauf (2019) who assert that the dipole arises because we made an incorrect assumption about the SNe Ia light-curve parameters (viz. took them to be sample- and redshift independent), and did not allow for the motion of the Solar system (w.r.t. the 'CMB frame' in which the CMB dipole supposedly vanishes). In fact what has an even larger impact on our finding is that we reversed the inconsistent "corrections" made for the peculiar velocities of the SNe Ia host galaxies w.r.t the CMB frame, which in fact serve to bias the lever arm of the Hubble diagram towards higher inferred values of the monopole. We demonstrate that even if all such corrections are made consistently and both sample- and redshift-dependence is allowed for in the standardisation of supernova light curves, the evidence for isotropic acceleration rises to just $2.8\\,\\sigma$. Thus the criticism of Rubin & Heitlauf serves only to highlight that "corrections" must be made to the SNe Ia data assuming the standard $\\Lambda$CDM model, in order to recover it from the data.

연구 동기 및 목표

• 태양계 기준에서의 초신성 데이터가 천체역학적 추론을 위해 CMB 기준프레임으로 보정이 필요하다는 가정을 도전하기 위해.
• 허블도 안에서 명백한 단극자 가속이 모델 의존적 보정의 산물인지 여부를 조사하기 위해.
• 탈속도수의 이방성 신호가 어두운 에너지의 증거가 아니라 탈속도의 실제 신호인지 테스트하기 위해.
• 베이지안 정보 기준(BIC)을 사용하여 SALT2 모델에서 적색이동 및 샘플에 의존하는 광곡선 매개변수의 타당성을 평가하기 위해.
• 우선적으로 이방성 검증을 하기 전에 FLRW 기반의 유속 모델을 사용해 데이터를 보정하는 데서 발생하는 순환성 문제를 부각하기 위해.

제안 방법

• SALT2 광곡선 피팅 모델을 사용해 JLA 초신성 목록을 분석하며, $x_1$과 $c$에 대해 적색이동 독립형 및 적색이동 의존형 매개변수를 모두 사용한다.
• 태양계 기준 적색이동과 CMB 기준프레임으로 보정된 적색이동을 비교하며, 유속 모델(Hudson 등, 2004; Carrick 등, 2015)을 활용한다.
• 베이지안 계층 모델을 적용해 탈속도수 매개변수 $q_0$와 $q_d$의 단극자 및 이방성 성분의 유의미성을 평가한다.
• 추가 매개변수에 대한 벌점으로 베이지안 정보 기준(BIC)을 사용하여, 적색이동 의존형 모델에서 추가된 12개 매개변수는 모델 선택 기준에 따라 정당화되지 않음을 보여준다.
• 표준 특이속도 보정을 반전시켜 허블도의 레버아rms와 유도된 단극자 가속에 미치는 영향을 평가한다.
• 다양한 피팅 결과를 비교한다: 태양계 기준 대비 CMB 기준 적색이동, 특이속도 보정 유무, 광곡선 매개변수의 추가 파rameter화 유무를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색이동을 CMB 기준프레임으로 보정하고 광곡선 매개변수를 적색이동에 따라 변화시킬 수 있을 때, 타입 Ia 초신성 데이터에서 나타나는 등방성 가속이 유지되는가?
• RQ2 특이속도 보정이 허블도의 단극자 가속을 어느 정도 편향시키는가?
• RQ3 탈속도수의 이방성은 실제 탈속도 신호인지, 아니면 데이터 감소 선택의 산물인가?
• RQ4 적색이동 의존형 광곡선 모델에서 요구되는 추가 매개변수들이 베이지안 정보 기준(BIC)에 의해 정당화되는가?
• RQ5 검증하고자 하는 모델(ΛCDM)을 전제로 하지 않고도 초신성 데이터에서 천체물리학적으로 의미 있는 단극자 가속을 추출할 수 있는가?

주요 결과

• CMB 기준프레임으로의 적색이동 보정과 샘플 및 적색이동에 의존하는 광곡선 매개변수를 고려한 후에도, 등방성 가속의 유의미성은 여전히 2.8σ에 머문다.
• 이전에 3.9σ로 발견된 탈속도수의 이방성은 태양계 기준 적색이동이나 잘못된 광곡선 가정의 산물이 아니며, 강건한 신호이다.
• 기존에 일관되지 않게 적용된 표준 특이속도 보정을 반전시키면, 유도된 단극자 가속이 감소하며, 이는 보정이 허블도 레버아rms에 편향을 주는 영향을 드러낸다.
• 베이지안 정보 기준(BIC)은 적색이동 의존형 모델의 추가 12개 매개변수에 대해 최소 39.6의 벌점을 적용하며, 이는 6.6보다 훨씬 크다. 따라서 이러한 매개변수는 모델 선택 기준에 따라 정당화되지 않는다.
• JLA 및 Pantheon 목록에서 사용된 특이속도 보정은 일관성이 없다: 유속 영역 내 초신성에는 보정을 적용하지만 외부 초신성에는 적용하지 않아 방향성 편향을 유도한다.
• Pantheon 데이터 배포에서 특이속도 보정이 알려진 유속 모델을 초월해 적용된 버그가 발견되어, 보정된 후에 밝기와 적색이동이 불일치하게 되었으며, 이는 이러한 보정의 신뢰성을 추가로 약화시킨다.