[论文解读] Cosmological inference from within the peculiar local universe

Roya Mohayaee, M. Rameez+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 64被引用 15

一句话总结

本文表明，特殊速度——特别是本地整体流动——通过在星等和红移中引起相关波动，显著影响Ia型超新星宇宙学，而这些波动在标准分析中被系统性低估。利用CosmicFlows-3数据集和N体模拟，作者发现，在200 h⁻¹ Mpc以外存在约250 km s⁻¹的整体流动时，JLA超新星样本中加速膨胀的显著性降低，挑战了仅基于Ia型超新星数据对标准ΛCDM模型的推断。

ABSTRACT

The existence of 'peculiar' velocities due to the formation of cosmic structure marks a point of discord between the real Universe and the usually assumed Friedmann-Lemaítre-Robertson-Walker metric which accomodates only the smooth Hubble expansion on large scales. In the standard $Λ$CDM model framework, Type Ia supernovae data are routinely "corrected" for the peculiar velocities of both the observer and the supernova host galaxies relative to the cosmic rest frame, in order to infer evidence for acceleration of the expansion rate from their Hubble diagram. However observations indicate a strong, coherent local bulk flow that continues outward without decaying out to a redshift $z \gtrsim 0.1$, contrary to the $Λ$CDM expectation. By querying the halo catalogue of the Dark Sky Hubble-volume N-body simulation, we find that an observer placed in an unusual environment like our local Universe should see correlations between supernovae in the JLA catalogue that are 2-8 times stronger than seen by a typical or Copernican observer. This accounts for our finding that peculiar velocity corrections have a large impact on the value of the Cosmological Constant inferred from supernova data. We also demonstrate that local Universe-like observers will infer a downward biased value of the clustering parameter $S_8$ from comparing the density and velocity fields. More realistic modelling of the peculiar local Universe is thus essential for correctly interpreting cosmological data.

研究动机与目标

• 研究观测者和超新星宿主星系的特殊速度如何影响从Ia型超新星获得的宇宙参数估计。
• 评估JLA和Pantheon超新星星表中标准特殊速度修正是否系统性低估了相干整体流动的影响。
• 确定观测到的本地整体流动——延伸至200 h⁻¹ Mpc以外——是否显著改变推断出的暗能量密度和宇宙加速的显著性。
• 通过在似然分析中将整体流动作为自由参数重新评估JLA数据集中加速膨胀的统计显著性。

提出的方法

• 作者使用视界大小的N体模拟来建模特殊速度场，并将JLA超新星样本中相关性的统计特性与ΛCDM宇宙中典型观测者的预期进行比较。
• 量化由于相干整体流动引起的超新星星等和红移之间的相关波动强度，发现像我们本地宇宙环境中的观测者所见的相关性比典型观测者强2至8倍。
• 提出整体流动的一般参数化模型，以速度振幅和尺度长度作为自由参数，从而实现宇宙参数与整体流动的联合拟合。
• 对JLA数据集采用最大似然估计器，分别在有和无特殊速度修正的情况下进行分析，通过比较包含与不包含整体流动的拟合来评估显著性。
• 考虑到CMB偶极子并非完全为动力学效应，且向宇宙静止参考系的收敛并非如JLA所假设的那样在z ≈ 0.06处突然发生，该分析已对此加以考虑。
• 作者比较了指数型与线性整体流动模型的结果，以检验稳健性，发现200 h⁻¹ Mpc以外的整体流动速度值具有一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测者和超新星宿主星系的特殊速度如何在超星星星等和红移中诱导相关波动？
• RQ2 JLA和Pantheon超新星星表中的标准特殊速度修正在多大程度上低估了相干整体流动的影响？
• RQ3 本地整体流动的真实振幅和范围是多少？它是否持续延伸至200 h⁻¹ Mpc以外？
• RQ4 将整体流动作为自由参数纳入分析，会对从Ia型超新星推断的加速膨胀显著性产生何种影响？
• RQ5 观测到的本地整体流动是否否定了仅基于超新星数据对暗能量的标准推断？

主要发现

• 使用标准方法对JLA数据集进行特殊速度修正时，本地宇宙中由于整体流动引起的相关波动影响被低估了2至8倍。
• 发现约250 km s⁻¹的整体流动在200 h⁻¹ Mpc以外持续存在，最佳拟合值在211至398 km s⁻¹之间，具体取决于模型和数据集。
• 在似然分析中将整体流动作为自由参数纳入后，加速膨胀的显著性降低，-2 log Lmax 从JLA + 线性整体流动的-225.08降至无加速假设下的-214.14。
• 当纳入整体流动时，最佳拟合的暗能量密度ΩΛ显著下降，支持远低于标准ΛCDM模型预测的ΩΛ ≈ 0.7的值。
• 联合拟合结果表明，当正确考虑本地整体流动时，仅从SNe Ia数据中无法将宇宙加速膨胀作为具有统计显著性的结果推断出来。
• 本研究得出结论：本地整体流动是超新星宇宙学中的关键干扰参数，当前忽略其全部影响的分析可能存在偏差。