[论文解读] Is gravity getting weaker at low z? Observational evidence and theoretical implications

Lavrentios Kazantzidis, Leandros Perivolaropoulos|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 23

一句话总结

该论文研究了低红移（z < 0.3）引力可能减弱的观测证据，发现红移空间畸变数据存在2–3σ的张力，而Ia型超新星和CMB数据则提供微弱支持。论文提出通过演化有效牛顿引力常数G_eff(z)作为可能的解决方案，但表明标准的修正引力理论（如f(R)和标量-张量模型）无法重现这种减弱，因为它们在ΛCDM背景中固有地倾向于增强低红移处的引力。

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.

研究动机与目标

• 使用动力学探针评估低红移（z < 0.3）引力减弱的观测证据。
• 评估ΛCDM框架中观测到的fσ8张力是否可由演化有效牛顿引力常数G_eff(z)解释。
• 检验可行的修正引力理论（如f(R)、标量-张量）是否能重现低红移处的引力减弱。
• 检验演化G_eff与独立宇宙学探针（RSD、Pantheon SnIa、Planck CMB数据）的一致性。
• 探讨其对解决H0张力及修正引力情景整体可行性的启示。

提出的方法

• 通过μ(z) = 1 + ga(1 + z)^n参数化有效牛顿引力常数的演化，要求在高红移和z=0时μ → 1，以满足太阳系和核合成约束。
• 使用MGCOSMOMC和MGCAMB进行贝叶斯参数估计，采用Planck15/ΛCDM背景H(z)并固定η=1。
• 结合三个独立探针的约束：RSD增长数据（fσ8）、Pantheon SnIa距离模数和Planck TT CMB功率谱。
• 将Ω0m和σ8固定为Planck15/ΛCDM的值，通过变化(Ω0m, σ8, ga)评估μ的演化。
• 利用边际后验分布评估与广义相对论偏离的显著性水平（1σ–3σ）。
• 评估G_eff(z)演化的理论一致性，与已知的修正引力模型（f(R)、Horndeski、标量-张量）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在来自多个宇宙学探针的独立观测证据，表明低红移处引力减弱？
• RQ2 观测到的ΛCDM中fσ8张力是否可由演化有效牛顿引力常数G_eff(z)解释？
• RQ3 标准修正引力理论（f(R)、标量-张量）是否预测低红移处引力减弱，正如数据所要求的那样？
• RQ4 RSD、SnIa和CMB数据在支持演化G_eff方面的约束如何比较？
• RQ5 演化G_eff(z)情景是否有助于解决ΛCDM中的H0张力？

主要发现

• RSD数据在低红移（z < 0.3）处显示对引力减弱的2–3σ偏好，μ ≈ 0.5 表明G_eff约减少50%。
• Pantheon SnIa数据在z < 0.1处显示2σ的引力减弱迹象，与绝对星等减小一致。
• Planck在低l（l < 30）的CMB数据将μ演化约束在1σ以内，偏好μ ≈ 0.99–1.01（变化1–2%）。
• RSD与CMB对ga的约束在2–3σ水平不一致，表明单一演化μ无法单独解决fσ8张力。
• 标准f(R)和标量-张量引力模型在ΛCDM背景中通常预测低红移处引力增强，因此与观测到的引力减弱不相容。
• 多个独立探针对引力减弱的轻微偏好共同提示，需进一步研究修正引力中演化μ和η的参数化形式。