[논문 리뷰] Is there a violation of the Copernican principle in radio sky

Ashok K. Singal|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 17.

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한 줄 요약

이 논문은 3CRR 설문에서 유력한 확장형 활성은하핵과 전파은하의 하늘 분포에 상당한 대규모 이방성(anisotropies)을 규명하였으며, 48개의 활성은하핵 중 33개가 지구의 자전축과 공전축에 정렬된 평면의 한쪽 측면에 집중되어 있다. 이러한 비대칭성이 우연히 발생할 확률은 약 1%에 불과하여 코페르니쿠스 원리에 도전하며, 이는 우주에 대규모 비균일성 또는 선호 방향이 존재할 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We report the presence of large anisotropies in the sky distributions of powerful extended quasars as well as some other sub-classes of radio galaxies in the 3CRR survey, the most reliable and most intensively studied complete sample of strong steep-spectrum radio sources. The anisotropies lie about a plane passing through the equinoxes and the north celestial pole. Out of a total of 48 quasars in the sample, 33 of them lie in one half of the observed sky and the remaining 15 in the other half. The probability that in a random distribution of 3CRR quasars in the sky, statistical fluctuations could give rise to an asymmetry in observed numbers up to this level is only $\sim 1\%$. Also only about 1/4th of Fanaroff-Riley 1 (FR1) type of radio galaxies lie in the first half of the observed sky and the remainder in the second half. If we include all the observed asymmetries in the sky distributions of quasars and radio galaxies in the 3CRR sample, the probability of their occurrence by a chance combination reduces to $\sim 2 imes 10^{-5}$. Two pertinent but disturbing questions that could be raised here are -- firstly why should there be such large anisotropies present in the sky distribution of some of the strongest and most distant discrete sources, implying inhomogeneities in the universe at very large scales (covering a fraction of the universe)? Secondly why should such anisotropies lie about a great circle decided purely by the orientation of earth's rotation axis and/or the axis of its revolution around the sun? Are these alignments a mere coincidence or do they imply that these axes have a preferential placement in the larger scheme of things, implying an apparent breakdown of the Copernican principle or its more generalization, cosmological principle, upon which the standard cosmological model is based upon?

연구 동기 및 목표

• 3CRR 설문에서 유력한 전파원천의 천구 분포에 대규모 이방성이 존재하는지 조사하기.
• 이러한 이방성이 통계적으로 유의미한지 또는 무작위 변동으로 인해 발생할 수 있는지 평가하기.
• 이러한 이방성이 지구의 자전축과 공전축에 정렬되어 있음을 바탕으로 천체물리학 원리의 위반 여부를 평가하기.
• 코페르니쿠스 원리에 기반한 표준 천체물리학 모델에 대한 이러한 정렬의 함의를 탐색하기.

제안 방법

• 3CRR 설문에 포함된 48개의 활성은하핵과 FR1형 전파은하의 천구 전역에서의 공간 분포를 분석하였다.
• 등분점과 천구 북극을 통과하는 기준 평면을 정의하여 비대칭성 여부를 시험하였다.
• 무작위 분포 모델 하에서 이러한 활성은하핵 수의 불균형(33 대 15)이 관측될 확률을 계산하였다.
• 다양한 원천 유형에 걸쳐 관측된 다수의 비대칭성의 통합 확률을 평가하였다.
• 통계적 유의성 검정을 통해 관측된 군집화가 우연의 결과일 수 있는지 평가하였다.
• 지구의 자전축과 공전축에 대한 정렬 여부를 선호 방향의 지표로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3CRR 설문의 강력한 확장형 활성은하핵의 하늘 분포에 상당한 대규모 이방성이 존재하는가?
• RQ2 이러한 이방성이 무작위 하늘 분포에서 통계적 변동으로 인해 발생할 가능성은 얼마인가?
• RQ3 왜 이러한 이방성은 지구의 자전과 공전축에 의해 정의된 평면에 대해 정렬되어 있는가?
• RQ4 이러한 정렬이 코페르니쿠스 원리 또는 천체물리학 원리의 위반을 시사할 수 있는가?
• RQ5 이러한 발견은 표준 천체물리학 모델의 기본 가정을 도전하는가?

주요 결과

• 3CRR 샘플의 48개 활성은하핵 중 33개가 등분점과 천구 북극을 통과하는 평면으로 정의된 한 반구에 위치하여 뚜렷한 비대칭성을 나타낸다.
• 이러한 활성은하핵 수의 불균형이 우연히 발생할 가능성은 약 1%에 불과하여 통계적으로 유의미하다고 판단된다.
• FR1형 전파은하의 경우 약 1/4이 첫 번째 반구에 위치하고 나머지는 두 번째 반구에 위치하여 유사한 방향성 편향을 보인다.
• 활성은하핵과 전파은하에서 관측된 모든 비대칭성을 종합하면, 무작위 발생 가능성은 약 2×10⁻⁵로 감소한다.
• 이방성이 지구의 자전축과 공전축에 정렬되어 있음은 천체물리학 원리 위반의 가능성을 제기한다.
• 이러한 발견들은 우주에 대규모 비균일성 또는 선호 방향이 존재할 수 있음을 시사하며, 천체물리 스케일에서의 등방성 가정에 도전한다.