[논문 리뷰] Is gravity getting weaker at low z? Observational evidence and theoretical implications

Lavrentios Kazantzidis, Leandros Perivolaropoulos|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 06.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 23

한 줄 요약

논문은 저적색도(z < 0.3)에서 중력이 약해지고 있을 가능성이 있는 관측적 증거를 조사하며, 적색편이 공간 변형 데이터에서 2–3σ의 불일치를 발견하고, 타입 Ia 초신성 및 CMB 데이터로부터는 약한 지지 근거를 제시한다. 이는 효과적인 뉴턴 상수 G_eff(z)의 변화를 가능한 해결책으로 제안하지만, ΛCDM 배경에서 저적색도에서 중력을 강화하는 경향을 지닌 표준 수정 중력 이론들(f(R) 및 스칼라-텐서 모델)은 이러한 약화를 재현할 수 없음을 보여준다.

ABSTRACT

Dynamical observational probes of the growth of density perturbations indicate that gravity may be getting weaker at low redshifts $z$. This evidence is at about $2-3σ$ level and comes mainly from weak lensing data that measure the parameter $S_8=σ_8 \sqrt{Ω_{0m}/0.3}$ and redshift space distortion data that measure the growth rate times the amplitude of the linear power spectrum parameter $fσ_8 (z)$. The measured $fσ_8$ appears to be lower than the prediction of General Relativity (GR) in the context of the standard $Λ$CDM model as defined by the Planck best fit parameter values. This is the well known $fσ_8$ tension of $Λ$CDM, which constitutes one of the two main large scale challenges of the model along with the $H_0$ tension. We review the observational evidence that leads to the $fσ_8$ tension and discuss some theoretical implications. If this tension is not a systematic effect it may be an early hint of modified gravity with an evolving effective Newton's constant $G_{eff}$ and gravitational slip parameter $η$. We discuss such best fit parametrizations of $G_{eff}(z)$ and point out that they can not be reproduced by simple scalar-tensor and $f(R)$ modified gravity theories because these theories generically predict stronger gravity than General Relativity (GR) at low $z$ in the context of a $Λ$CDM background $H(z)$. Finally, we show weak evidence for an evolving reduced absolute magnitude of the SnIa of the Pantheon dataset at low redshifts ($z&lt;0.1$) which may also be explained by a reduced strength of gravity and may help resolve the $H_0$ tension.

연구 동기 및 목표

• 다이나믹 프로브를 사용하여 저적색도(z < 0.3)에서 중력 약화에 대한 관측적 증거를 평가하기.
• ΛCDM에서 관측된 fσ8 불일치가 변화하는 효과적인 뉴턴 상수 G_eff(z)로 설명될 수 있는지 평가하기.
• 유효한 수정 중력 이론들(f(R), 스칼라-텐서 등)이 저적색도에서 더 약한 중력을 재현할 수 있는지 테스트하기.
• RSD, Pantheon SnIa 및 Planck CMB 데이터와 같은 독립적인 우주론적 프로브와의 일관성을 검토하기.
• H0 불일치를 해결하는 데 변화하는 G_eff의 함의 및 수정 중력 시나리오의 일반적 타당성 탐색하기.

제안 방법

• 태양계 및 핵합성 제약 조건을 만족하기 위해 고적색도 및 z=0에서 μ → 1이 되도록, 효과적인 뉴턴 상수의 매개변수화된 진화를 μ(z) = 1 + ga(1 + z)^n 형태로 설정하기.
• Planck15/ΛCDM 배경 H(z)와 고정된 η=1을 사용하여 MGCOSMOMC 및 MGCAMB를 활용해 베이지안 매개변수 추정 수행하기.
• 세 가지 독립적 프로브의 제약 조건을 통합: RSD 성장 데이터(fσ8), Pantheon SnIa 거리 모듈러스, Planck TT CMB 스펙트럼.
• Ω0m 및 σ8를 Planck15/ΛCDM 값으로 고정하고, (Ω0m, σ8, ga)를 변화시켜 μ의 진화 평가하기.
• 가장자리 사후 분포를 사용하여 일반화된 후행 분포를 기반으로 GR에서의 편차의 유의수준(1σ–3σ) 평가하기.
• 기존의 수정 중력 모델들(f(R), Horndeski, 스칼라-텐서)과 G_eff(z) 진화의 이론적 일관성 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 우주론적 프로브에서 저적색도에서 중력 약화에 대한 독립적인 관측적 증거가 있는가?
• RQ2 ΛCDM에서 관측된 fσ8 불일치는 변화하는 효과적인 뉴턴 상수 G_eff(z)로 설명될 수 있는가?
• RQ3 표준 수정 중력 이론들(f(R), 스칼라-텐서)은 데이터에서 요구하는 바와 같이 저적색도에서 더 약한 중력을 예측하는가?
• RQ4 RSD, SnIa 및 CMB 데이터의 제약 조건은 변화하는 G_eff에 대해 어떻게 서로 다른 지지 수준을 보이는가?
• RQ5 변화하는 G_eff(z) 시나리오는 ΛCDM에서의 H0 불일치를 해결하는 데 도움이 될 수 있는가?

주요 결과

• RSD 데이터는 저적색도(z < 0.3)에서 중력 약화에 대해 2–3σ의 선호도를 보이며, μ ≈ 0.5는 G_eff의 약 50% 감소를 시사한다.
• z < 0.1에서 Pantheon SnIa 데이터는 중력 약화에 대해 2σ의 징후를 보이며, 절대 등급이 감소한 것과 일관된다.
• 낮은 l(l < 30)에서 Planck의 CMB 데이터는 μ의 진화를 1σ 이내로 제약하며, μ ≈ 0.99–1.01(1–2% 변화)를 선호한다.
• RSD 및 CMB 데이터에서 ga에 대한 제약 조건은 2–3σ 수준에서 상호 모순되며, 단일 변화하는 μ로 fσ8 불일치를 해결하는 데는 부적절하다는 것을 시사한다.
• 표준 f(R) 및 스칼라-텐서 중력 모델들은 ΛCDM 배경에서 저적색도에서 중력을 강화하는 경향을 보이며, 관측된 약화와는 호환되지 않는다.
• 독립적인 프로브들 사이에서 약한 중력 약화에 대한 동시 선호도는 수정 중력에서 변화하는 μ 및 η 매개변수화의 추가 조사 필요성을 시사한다.