[论文解读] A Challenge to the Standard Cosmological Model

Nathan J. Secrest, Sebastian von Hausegger+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究通过利用NVSS和WISE巡天的两个独立射电星系与类星体星表，检验宇宙的各向同性，挑战了标准的ΛCDM宇宙学模型。研究发现，天空中这些遥远源的分布存在5.1σ显著性的偶极各向异性，该结果与来自CMB静止参考系的运动学偶极预期不一致，提示可能存在对宇宙学原理的违背，或在宇宙静止参考系中存在本征各向异性。

ABSTRACT

We present the first joint analysis of catalogs of radio galaxies and quasars to determine if their sky distribution is consistent with the standard $Λ$CDM model of cosmology. This model is based on the cosmological principle, which asserts that the universe is statistically isotropic and homogeneous on large scales, so the observed dipole anisotropy in the cosmic microwave background (CMB) must be attributed to our local peculiar motion. We test the null hypothesis that there is a dipole anisotropy in the sky distribution of radio galaxies and quasars consistent with the motion inferred from the CMB, as is expected for cosmologically distant sources. Our two samples, constructed respectively from the NRAO VLA Sky Survey and the Wide-field Infrared Survey Explorer, are systematically independent and have no shared objects. Using a completely general statistic that accounts for correlation between the found dipole amplitude and its directional offset from the CMB dipole, the null hypothesis is independently rejected by the radio galaxy and quasar samples with $p$-value of $8.9 imes10^{-3}$ and $1.2 imes10^{-5}$, respectively, corresponding to $2.6σ$ and $4.4σ$ significance. The joint significance, using sample size-weighted $Z$-scores, is $5.1σ$. We show that the radio galaxy and quasar dipoles are consistent with each other and find no evidence for any frequency dependence of the amplitude. The consistency of the two dipoles improves if we boost to the CMB frame assuming its dipole to be fully kinematic, suggesting that cosmologically distant radio galaxies and quasars may have an intrinsic anisotropy in this frame.

研究动机与目标

• 通过检验遥远射电星系与类星体的大尺度分布在CMB静止参考系中是否具有统计各向同性，来检验宇宙学原理。
• 确定观测到的源分布偶极各向异性是否与我们相对于CMB参考系的本动速度所预期的运动学偶极一致。
• 通过使用来自不同巡天的系统上独立的星表，评估该异常是否由系统误差、频率依赖性或本征宇宙各向异性引起。
• 使用一种通用的统计框架，考虑偶极振幅与方向之间的相关性，提供一种无需模型的各向同性检验。
• 通过基于严格模拟的方法，完全整合巡天掩膜、源计数和估计器偏差，解决先前相互矛盾的结果。

提出的方法

• 作者使用两个独立且无重叠的星表：1.4 GHz的NVSS射电星系和基于WISE的CatWISE2020星表中的类星体，确保无共享源。
• 采用一种通用统计量，考虑偶极相对于CMB偶极的振幅与方向偏移之间的相关性，避免对谱指数或源演化假设的依赖。
• 通过基于运动学偶极预期的蒙特卡洛天空模拟进行原假设检验，对模拟数据和真实数据应用相同的天空掩膜和源完整度。
• 使用最大似然法估计偶极振幅与方向，p值通过模拟中超过观测偶极振幅与方向的样本比例计算得出。
• 通过样本大小加权的Z分数联合计算显著性，以整合两个独立样本的结果。
• 通过基于数据本身导出的掩膜和数据选择标准，校正银河系平面遮蔽、黄道极伪影和巡天完整度等系统效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 遥远射电星系与类星体的天空分布是否与ΛCDM模型预测的CMB静止参考系中的统计各向同性一致？
• RQ2 观测到的源分布偶极各向异性是否与我们相对于CMB参考系的本动速度所预期的运动学偶极一致？
• RQ3 偶极振幅中观察到的异常是否由观测系统误差、频率依赖性或本征宇宙各向异性引起？
• RQ4 NVSS与基于WISE的类星体样本的结果是否一致，且是否共同支持对宇宙学原理的违背？
• RQ5 无需依赖源谱指数或偏置因子假设的无模型统计检验，能否检测到显著的各向异性偏离？

主要发现

• 射电星系样本在p值为8.9×10⁻³（2.6σ显著性）时拒绝了运动学偶极一致的原假设。
• 类星体样本在p值为1.2×10⁻⁵（4.4σ显著性）时拒绝了原假设。
• 通过样本大小加权Z分数联合计算的两个独立样本的显著性达到5.1σ，表明对标准宇宙学模型各向同性假设存在强有力证据。
• 射电星系与类星体的偶极方向彼此一致，分别与CMB偶极的角距离为74°和85°。
• 未发现偶极振幅的显著频率依赖性，因为不同巡天和频率下的偶极振幅一致。
• 假设偶极完全为运动学效应并将其提升至CMB参考系后，两个偶极的一致性得到改善，提示遥远射电源在CMB参考系中可能存在本征各向异性。