[论文解读] Hints for a gravitational constant transition in Tully-Fisher data

George Alestas, Ioannis Antoniou+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 82被引用 4

一句话总结

本文基于更新的提勒-菲舍尔关系（TFR）数据集，提供了在约9 Mpc和17 Mpc临界距离处有效引力常数可能发生转变的证据，两个子样本的最佳拟合斜率与截距之间的张力超过3.5𝜎。该结果在蒙特卡洛模拟下依然稳健，表明在这些阈值距离之外，引力常数可能下降ΔG/G ≈ -0.1，为解决哈勃张力提供了一种新机制。

ABSTRACT

We use an up to date compilation of Tully-Fisher data to search for transitions in the evolution of the Tully-Fisher relation. Using an up to date data compilation, we find hints at $\approx 3σ$ level for a transition at critical distances $D_c \simeq 9 Mpc$ and $D_c \simeq 17 Mpc$. We split the full sample in two subsamples according to the measured galaxy distance with respect to a splitting distance $D_c$ and identify the likelihood of the best fit slope and intercept of one sample with respect to the best fit corresponding values of the other sample. For $D_c \simeq 9 Mpc$ and $D_c \simeq 17 Mpc$ we find a tension between the two subsamples at a level of $Δχ^2 > 17\; (3.5σ)$. Using a Monte-Carlo simulation we demonstrate that this result is robust with respect to random statistical and systematic variations of the galactic distances. If the tension is interpreted as due to a gravitational strength transition, it would imply a shift of the effective gravitational constant to lower values for distances larger than $D_c$ by $\frac{ΔG}{G}\simeq -0.1$. Such a shift is of the anticipated sign and magnitude but at somewhat lower distance (redshift) than the gravitational transition recently proposed to address the Hubble and growth tensions ($\frac{ΔG}{G}\simeq -0.1$ at transition redshift $z_t\lesssim 0.01$ ($D_c\lesssim 40 Mpc$)).

研究动机与目标

• 研究提勒-菲舍尔关系（TFR）中可能存在的转变，以探测有效引力常数的变化。
• 检验在不同距离下TFR斜率与截距之间观测到的张力是否具有统计显著性，而非源于随机波动。
• 评估此类转变是否可通过低红移处的引力修改来缓解哈勃张力。
• 评估观测到的张力在星系距离测量的统计与系统误差下的稳健性。

提出的方法

• 作者根据临界距离Dc ≈ 9 Mpc和Dc ≈ 17 Mpc将一个全面的TFR数据集划分为两个子样本。
• 通过χ²最小化方法确定每个子样本的最佳拟合斜率与截距，并通过比较得到的Δχ²来评估统计张力。
• 使用蒙特卡洛模拟测试在星系距离存在随机变化和系统误差时，观测到的张力是否依然稳健。
• 通过关系式A_B ∝ G_eff^(-2)（假设表面密度恒定）从TFR的截距与斜率推断有效引力常数。
• 分析假设星系的重子TFR（BTFR）可作为G_eff的探针，其中A_B与s由观测到的旋转速度与重子质量推导得出。
• 张力量化为Δχ² > 17，对应3.5σ显著性水平，表明引力定律在行为上可能不具齐性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在特定临界距离处，提勒-菲舍尔关系是否存在统计显著的转变？
• RQ2 有效引力常数的变化是否可解释近邻星系与更远星系之间TFR参数观测到的张力？
• RQ3 观测到的张力是否对星系距离测量中的统计波动与系统误差具有稳健性？
• RQ4 在Dc ≈ 9 Mpc与Dc ≈ 17 Mpc处推断出的引力转变是否与解决哈勃张力的现有提议一致？
• RQ5 能否利用重子Tully-Fisher关系来约束引力常数的变化？

主要发现

• 分析揭示了在Dc ≈ 9 Mpc与Dc ≈ 17 Mpc处划分的子样本之间，TFR最佳拟合参数存在张力，Δχ² > 17，对应3.5σ显著性水平。
• 在包含星系距离随机统计与系统误差变化的蒙特卡洛模拟下，该张力依然稳健，表明其不太可能源于数据不确定性。
• 观测到的张力暗示有效引力常数可能发生转变，对于大于Dc的距离，ΔG/G ≈ -0.1，表明在更大尺度上引力相互作用变弱。
• 在Dc ≈ 9–17 Mpc处推断出的转变尺度在大小与符号上均与近期通过z ≲ 0.01处引力转变解决哈勃张力的提议一致。
• 该结果与重子Tully-Fisher关系作为基础引力物理敏感探针一致，尤其适用于低红移近邻星系。
• 研究结果表明，哈勃张力或可通过低红移处引力强度的转变得到缓解，为宇宙学差异提供了一种新的现象学方法。