[논문 리뷰] The Local Hole: a galaxy under-density covering 90% of sky to ~200 Mpc

Jonathan H.W. Wong, T. Shanks외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2MASS 및 2M++ 데이터를 사용하여 천구의 90%에 걸쳐 $K$-대역 수치 카운트를 확장함으로써 '국지적 구멍'(Local Hole) — 은하 분포에서의 대규모 밀도 부족 — 가 존재하는 것을 확인한다. $z < 0.075$에서 20–22%의 밀도 부족이 발견되었으며, 이는 국지적 $H_0$ 측정치를 약 3% 정도 과대평가하게 하여 $Λ$CDM와의 $H_0$ 갈등을 약 3$σ$ 수준에서 유도한다.

ABSTRACT

We investigate the `Local Hole', an anomalous under-density in the local galaxy environment, by extending our previous galaxy $K-$band number-redshift and number-magnitude counts to $\approx 90\%$ of the sky. Our redshift samples are taken from the 2MASS Redshift Survey (2MRS) and the 2M++ catalogues, limited to $K&lt;11.5$. We find that both surveys are in good agreement, showing an $\approx 21-22\%$ under-density at $z&lt;0.075$ when compared to our homogeneous counts model that assumes the same luminosity function and other parameters as in our earlier papers. Using the Two Micron All Sky Survey (2MASS) for $n(K)$ galaxy counts, we measure an under-density relative to this model of $20\pm 2 \%$ at $K&lt;11.5$, which is consistent in both form and scale with the observed $n(z)$ under-density. To examine further the accuracy of the counts model, we compare its prediction for the fainter $n(K)$ counts of the Galaxy and Mass Assembly (GAMA) survey. We further compare these data with a model assuming the parameters of a previous study where little evidence for the Local Hole was found. At $13

연구 동기 및 목표

• 이전에 제한된 하늘 영역에서만 확인된 '국지적 구멍'이 훨씬 더 넓은 천구 비율으로 확장되어 있는지 테스트하는 것.
• 대규모 밀도 부족이 거리 계단 결과에 미치는 영향을 정량화하여 국지적 $H_0$ 측정치와 $Λ$CDM 예측 간의 갈등을 해결하는 것.
• 이전 연구에서 일반적으로 사용된 균일한 광도 함수를 가정하는 모델의 타당성을 평가하는 것.
• Lavaux & Hudson (2011) 및 Jasche & Lavaux (2019)의 상충되는 결과를, 여러 설문 조사의 데이터와 모델 예측을 비교함으로써 국지적 구멍을 재정립하는 것.

제안 방법

• 2MASS 및 2M++ 카탈로그를 사용하여 천구의 약 90%에 걸쳐 $|b| \geq 5^\circ$ 및 $K < 11.5$ 조건에서 $K$-대역 수치-등급($n(m)$) 및 수치-적색편이($n(z)$) 카운트를 확장한다.
• 이전 연구와 일관된 광도 함수 및 파라미터를 가정하는 균일한 은하 수 모델을 구축하여 비교의 기준으로 사용한다.
• GAMA 설문 조사에서 더 흐린 magnitude($13 < K < 16$)에서 관측된 $n(K)$ 수치와 모델 예측을 비교하여 모델의 탄력성을 시험한다.
• Lavaux & Hudson (2011)에서 제안한 더 낮은 광도 함수 정규화를 가진 모델과 같은 대안 모델과의 적합도를 평가하여 광도 함수 가정에 대한 민감도를 분석한다.
• 적색편이 및 magnitude에 따라 밀도 부족을 정량화하고, 대규모 구조에서의 속도 편향을 통해 국지적 $H_0$ 측정치에 미치는 영향을 추정한다.
• 밀도 부족의 유의미성을 $Λ$CDM 기대치와 비교하여, 크기와 진폭 측면에서 약 3$σ$ 수준의 갈등을 발견한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국지적 구멍의 밀도 부족은 이전 연구들이 다룬 약 20%의 영역을 넘어서 천구의 대부분을 차지하는가?
• RQ2 관측된 $n(z)$ 및 $n(K)$ 수치에서의 밀도 부족은 국지적 허블 상수 $H_0$ 측정치에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 연구들(예: Lavaux & Hudson 2011)은 국지적 구멍을 탐지하지 못하는가? 이는 광도 함수에 대한 잘못된 가정 때문인가?
• RQ4 관측된 밀도 부족은 $Λ$CDM 모델과 조화를 이룰 수 있는가, 아니면 천체구조 형성 이론에 근본적인 갈등을 암시하는가?
• RQ5 은하 수치 결과는 초신성과 속도 흐름의 역학적 증거와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 국지적 구멍은 약 90%의 하늘을 커버하며, $z < 0.075$에서 $n(z)$ 및 $n(K)$ 수치 모두에서 뚜렷한 밀도 부족이 확인된다.
• K-대역 수치에서 균일한 모델 대비 일관된 $20 \pm 2\%$의 밀도 부족이 측정되었으며, 적색편이 수치에서의 결과를 확인한다.
• 밀도 부족은 국지적 허블 상수 $H_0$를 약 3% 과대평가하게 하며, 이는 초기 우주 $Λ$CDM 예측과의 $H_0$ 갈등을 일부 완화하지만 완전히 해결하지는 못한다.
• 이 연구에서 사용한 더 높은 광도 함수 정규화를 가진 모델은 Lavaux & Hudson (2011)에서 제안한 낮은 정규화 모델보다 GAMA $n(K)$ 수치($13 < K < 16$)에 대해 유의미하게 더 좋은 적합도를 보인다.
• 관측된 밀도 부족은 $Λ$CDM 천체론과 약 3$σ$ 수준에서 불일치하며, 대규모 비균일성의 가능성을 시사한다.
• 어떤 연구들이 국지적 구멍을 탐지하지 못한 것은, 실제로 밀도 부족 내에서 유도된 광도 함수 파라미터를 사용함으로써 저정규화된 값이 편향되어 발생한 결과이기 때문이다.