[논문 리뷰] The largest structure of the Universe, defined by Gamma-Ray Bursts

I. Horváth, Jon Hakkila외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 05.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 15인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 적색이동 범위 1.6 < z < 2.1 내의 31개의 감마선 폭발(GRBs)의 공간 집합을 바탕으로, 현재까지 알려진 가장 큰 천체 구조체의 존재를 제안한다. 두 차원 칼모고로프-스미르노프 검정과 이항 확률을 사용하여, 저자들은 하늘의 약 1/8 영역에 GRB들이 통계적으로 유의미하게 집중되어 있음을 발견하였으며, p-값은 0.0000055로, 약 100억 광년 떨어진 곳에 위치한 거대하고 일관된 구조체를 시사한다. 이는 스ローン 대벽(Sloan Great Wall)의 여섯 배 이상 큰 크기이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재까지 알려진 가장 큰 천체 구조체인 스ローン 대벽을 초월한 대규모 천체 구조체를 탐구하기 위해.
• 극도로 먼 우주 거리에서의 구조체를 조사하여 우주론 원리인 균일성과 등방성의 타당성을 검증하기 위해.
• 감마선 폭발(GRBs)이 밀도가 높은 물질의 지표로 사용될 수 있으며, 이로 인해 이전에 발견되지 않은 대규모 천체 구조체를 드러낼 수 있는지 확인하기 위해.
• 적색이동 영역에 따라 GRB 분포의 공간 집합의 통계적 유의성을 평가하여 잠재적인 천체 구조체를 식별하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 283개의 측정된 GRB 적색이동 값을 9개의 천체적 거리 영역으로 나누었으며, 각 영역에 31개의 GRB가 포함되어 있어 우주의 시간에 따른 천구 분포를 분석하였다.
• 네 번째 적색이동 영역(1.6 < z < 2.1)의 하늘 분포를 나머지 여덟 영역과 비교하기 위해 두 차원 칼모고로프-스미르노프 검정을 적용하였다.
• 14개의 GRB가 약 1/8의 하늘 영역에 집중될 가능성의 이항 확률을 계산하여 우연의 일치 가능성의 정도를 평가하였다.
• GRB는 먼 은하에서의 거대한 별 형성과 관련이 있기 때문에, 일반 물질의 지표로 사용되는 GRB에 초점을 맞추었다.
• 관측된 집합의 통계적 유의성은 p-값을 통해 평가되었으며, 무작위성에서의 심각한 이탈을 나타내기 위해 p < 0.05% 기준을 설정하였다.
• 구조체의 크기는 적색이동 범위와 천구 확장으로부터 추정되었으며, 2000–3000 Mpc의 규모로 도출되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 적색이동 범위 내에서 감마선 폭발이 통계적으로 유의미하게 대규모 집합을 이루며 일관된 천체 구조체를 나타내는가?
• RQ2 현재까지 알려진 가장 큰 천체 구조체의 크기는 스ローン 대벽과 비교하여 어떻게 되며, GRB는 더 큰 구조체를 드러낼 수 있는가?
• RQ3 관측된 GRB 집합이 하늘의 1/8 영역에 집중된 것이 우연의 결과일 가능성은 얼마인가?
• RQ4 z ≈ 1.8에서의 GRB 공간 분포는 대규모 균일성의 우주론 원리에 도전하는가?
• RQ5 GRB는 먼 우주에서 복사 물질의 대규모 분포를 맵핑하는 데 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는가?

주요 결과

• 네 번째 적색이동 영역(1.6 < z < 2.1)에는 31개의 GRB가 포함되어 있으며, 그 중 14개가 약 1/8의 하늘 영역에 집중되어 있어 뚜렷한 공간 집합을 나타낸다.
• 두 차원 칼모고로프-스미르노프 검정을 통해 관측된 균일성에서의 편차는 0.05% 이하의 통계적 유의성을 보였다.
• 이러한 집합이 우연히 발생할 가능성의 이항 확률은 p = 0.0000055로, 극도로 높은 통계적 유의성을 나타낸다.
• 결과적으로 도출된 구조체의 크기는 약 2000–3000 Mpc로, 스ローン 대벽의 여섯 배 이상 크다.
• 이 구조체는 약 100억 광년 떨어진 거리에 위치해 있으며, 스ローン 대벽의 약 10억 광년보다 훨씬 멀리 떨어져 있다.
• 이 발견은 초기 우주에 일관되고 거대한 구조체의 존재를 시사하며, 대규모 균일성의 가정에 도전한다.