[论文解读] In Defense of an Accelerating Universe: Model Insensitivity of the Hubble Diagram

Harry I. Ringermacher, Lawrence R. Mead|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 9

一句话总结

本文通过证明哈勃图对空间曲率不敏感，从而质疑其在区分ΛCDM模型与匀速膨胀的米尔内宇宙模型中的可靠性。利用尺度因子与宇宙时的关系图，作者表明尽管两种模型在哈勃图上拟合程度相当，但经过变换后，数据在2σ显著性水平上清晰区分了这两个模型，结合CMB观测的平坦空间几何，以95%的置信度确认了宇宙加速膨胀。

ABSTRACT

A recently published paper by Nielsen, Guffanti and Sarkar argues that the evidence for cosmic acceleration is marginal and that a coasting universe - the Milne Universe - fits the same supernovae data in a Hubble diagram nearly as well. The Milne Universe has negative spatial curvature. Nevertheless, we confirm that the Milne model fits the data just as well as LCDM. We show that this unexpected result points to a weakness in the Hubble diagram rather than to a flaw in LCDM. It seems the Hubble diagram is insensitive to spatial curvature. Here we present the data and both models in a scale factor vs. cosmological time plot.This plot is exquisitely sensitive to spatial curvature because one of three unique transformations, for each of curvatures 0,+1,-1, is applied to transform from the Hubble diagram. Although the Milne negative curvature did not matter much in the Hubble diagram, it matters critically in the scale factor plot. Given that space is flat as measured by precise CMB observations, we find that when the SNe data, the LCDM model and the Milne model are plotted as scale factor vs. cosmological time the two resulting curves separate at 2 sigma above the noise- ten times their separation above the noise in the Hubble diagram. The transformed data fit to the LCDM model confirms, at a 95% confidence level, that the universe is accelerating and the Milne coasting universe is ruled out.

研究动机与目标

• 挑战‘超新星数据不足以支持宇宙加速’这一说法。
• 研究哈勃图在区分加速膨胀与匀速膨胀宇宙模型时的模型不敏感性。
• 检验哈勃图是否能可靠地区分ΛCDM模型与负空间曲率的米尔内（匀速）模型。
• 证明将哈勃图转换为尺度因子与宇宙时间的关系图可揭示对空间曲率的临界敏感性，从而解决哈勃图中的模糊性。
• 将超新星数据与CMB观测所确认的平坦空间几何相协调，确认宇宙加速。

提出的方法

• 作者使用相同的Ia型超新星哈勃图数据，比较ΛCDM模型与米尔内模型。
• 他们对哈勃图数据应用变换，将其映射为尺度因子与宇宙时间的关系表示。
• 该变换利用了弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克模型在空间曲率k = 0、+1和-1时的三个唯一解。
• 将变换后的数据与ΛCDM和米尔内模型的理论预测进行比较。
• 通过测量尺度因子图中模型曲线之间的分离程度相对于观测噪声的大小，评估统计显著性。
• 分析中引入了CMB测定的空间平坦性（k = 0）作为约束，以验证ΛCDM模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 哈勃图能否可靠地区分加速宇宙（ΛCDM）与负空间曲率的匀速宇宙（米尔内）？
• RQ2 为何米尔内模型在空间曲率不同的情况下，仍能与ΛCDM在哈勃图上拟合得同样好？
• RQ3 将哈勃图转换为尺度因子与宇宙时间的关系图，如何影响模型的区分能力？
• RQ4 在引入CMB测定的空间平坦性后，对竞争宇宙学模型的区分能力提升了多少？
• RQ5 当考虑哈勃图中模型的不敏感性时，宇宙加速的证据是否依然稳健？

主要发现

• 哈勃图对ΛCDM与米尔内模型的拟合程度几乎相同，表明其对空间曲率不敏感。
• 尺度因子与宇宙时间图显示出两个模型之间的分离程度是哈勃图中的十倍。
• 尺度因子图中模型曲线之间的分离程度高出观测噪声2个标准差，具有统计显著性。
• 结合CMB测定的空间平坦性，数据在95%置信水平上确认了宇宙加速。
• 联合数据排除了米尔内模型，因其在平坦几何下无法再现观测到的尺度因子演化。
• 转换至尺度因子图揭示了原始哈勃图中隐藏的、对空间曲率的临界敏感性。