[논문 리뷰] Hints for a gravitational constant transition in Tully-Fisher data

George Alestas, Ioannis Antoniou외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 29.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 82인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 보다 업데이트된 터리-파이어 관계(TFR) 데이터셋에서 비판적 거리 약 9 Mpc 및 17 Mpc에서 효과적 중력상수의 전이 가능성이 제시되며, 두 하위표본의 최적 적합 기울기와 절편 간의 긴장은 3.5𝜎를 초과한다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증된 결과는 이러한 임계 거리 이외의 거리에서 ΔG/G ≈ -0.1 정도로 중력상수가 감소할 수 있음을 시사하며, 허블 긴장 문제를 해결하기 위한 새로운 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

We use an up to date compilation of Tully-Fisher data to search for transitions in the evolution of the Tully-Fisher relation. Using an up to date data compilation, we find hints at $\approx 3σ$ level for a transition at critical distances $D_c \simeq 9 Mpc$ and $D_c \simeq 17 Mpc$. We split the full sample in two subsamples according to the measured galaxy distance with respect to a splitting distance $D_c$ and identify the likelihood of the best fit slope and intercept of one sample with respect to the best fit corresponding values of the other sample. For $D_c \simeq 9 Mpc$ and $D_c \simeq 17 Mpc$ we find a tension between the two subsamples at a level of $Δχ^2 > 17\; (3.5σ)$. Using a Monte-Carlo simulation we demonstrate that this result is robust with respect to random statistical and systematic variations of the galactic distances. If the tension is interpreted as due to a gravitational strength transition, it would imply a shift of the effective gravitational constant to lower values for distances larger than $D_c$ by $\frac{ΔG}{G}\simeq -0.1$. Such a shift is of the anticipated sign and magnitude but at somewhat lower distance (redshift) than the gravitational transition recently proposed to address the Hubble and growth tensions ($\frac{ΔG}{G}\simeq -0.1$ at transition redshift $z_t\lesssim 0.01$ ($D_c\lesssim 40 Mpc$)).

연구 동기 및 목표

• 효과적 중력상수가 변화할 수 있는 가능성이 있는 Tully–Fisher 관계(TFR)의 전이 현상이 존재하는지 조사하기.
• 다른 거리에 있는 하위표본 간 TFR 기울기와 절편에 관측된 긴장이 통계적으로 유의미한지, 또는 무작위 변동에 기인한 것인지 테스트하기.
• 저적색도에서 중력이 수정됨으로써 허블 긴장 문제를 해결할 수 있는지 평가하기.
• 은하성 거리 측정의 통계적 및 체계적 오차에 대해 관측된 긴장이 얼마나 견고한지 평가하기.

제안 방법

• 저자들은 비판적 거리 Dc ≈ 9 Mpc 및 Dc ≈ 17 Mpc 기준으로 종합적인 TFR 데이터셋을 두 하위표본으로 분할한다.
• 각 하위표본에 대해 χ² 최소화를 수행하여 최적 적합 기울기와 절편을 도출하고, 이를 바탕으로 Δχ²를 비교하여 통계적 긴장을 평가한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 은하 거리의 무작위 통계적 변동 및 체계적 오차 상황에서도 관측된 긴장이 견고한지 테스트한다.
• 상수 표면 밀도를 가정할 때, TFR의 절편과 기울기를 통해 효과적 중력상수를 유추한다. 이는 A_B ∝ G_eff^(-2) 관계에 기반한다.
• 분석은 바리온성 TFR(BTFR)를 G_eff의 탐지 수단으로 사용하며, A_B와 s는 관측된 회전 속도와 바리온 질량으로부터 유도된다.
• 긴장은 Δχ² > 17로 표현되며, 이는 3.5σ의 유의수준에 해당하여 중력 법칙의 비균일한 거동 가능성을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 비판적 거리에서 Tully–Fisher 관계에 통계적으로 유의미한 전이가 존재하는가?
• RQ2 효과적 중력상수가 변화하면, 근접한 은하와 더 먼 은하 간 TFR 파라미터의 관측된 긴장을 설명할 수 있는가?
• RQ3 은하 거리 측정의 통계적 변동과 체계적 오차에 대해 관측된 긴장이 견고한가?
• RQ4 Dc ≈ 9 Mpc 및 Dc ≈ 17 Mpc에서 유추된 중력 전이가 허블 긴장을 해결하기 위한 최근 제안과 일치하는가?
• RQ5 바리온성 Tully–Fisher 관계는 중력상수의 변화를 제약하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• Dc ≈ 9 Mpc 및 Dc ≈ 17 Mpc에서 분할된 하위표본 간 최적 적합 TFR 파라미터에 대한 긴장이 드러나며, Δχ² > 17로 3.5σ의 유의수준에 해당한다.
• 은하 거리의 무작위 통계적 및 체계적 변동을 포함한 몬테카를로 시뮬레이션에서도 긴장이 견고하게 유지되어, 데이터 불확실성에 기인한 가능성은 낮다.
• 관측된 긴장은 효과적 중력상수의 잠재적 전이를 시사하며, Dc를 초과하는 거리에서는 ΔG/G ≈ -0.1 정도로 중력이 감소함을 의미하며, 이는 더 큰 척도에서 더 약한 중력 상호작용을 의미한다.
• Dc ≈ 9–17 Mpc에서 유추된 전이 스케일은 최근 z ≲ 0.01에서 중력 전이에 의한 허블 긴장 해결 제안과 크기와 부호 면에서 일치한다.
• 결과는 바리온성 Tully–Fisher 관계가 저적색도, 근접 은하에 적용되었을 때 기본 중력물리학에 민감한 탐지 수단이 될 수 있음을 시사하며, 특히 저적색도에서의 응용이 중요하다.
• 결과는 허블 긴장 문제를 낮은 적색도에서 중력 강도의 전이에 의해 완화시킬 수 있으며, 천체물리학적 불일치 문제를 해결하기 위한 새로운 현상학적 접근법을 제공한다.