[论文解读] No Evidence of Time Dilation in Gamma-Ray Burst Data

David F. Crawford|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2009

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文分析了红移高达 z=6.6 的伽马射线暴（GRB）数据，未发现时间膨胀的证据，以 4.4×10⁻⁶ 的概率拒绝该假设。通过将四种时间测量值——T₉₀、τₗₐg、V 和 τ_RT——合并为 τ₄，采用加权对数回归分析，研究显示其与红移无显著依赖关系，与膨胀宇宙中相对论性时间膨胀的预测相矛盾，反而表明其与静态宇宙学模型一致。

ABSTRACT

Gamma-Ray Bursts have been observed out to very high redshifts and provide time measures that are directly related to intrinsic time scales of the burst. Einstein's theory of relativity is quite definite that if the universe is expanding then the observed duration of these measures will increase with redshift. Thus gamma-ray burst measures should show a time dilation proportional to redshift. An analysis of gamma-ray burst data shows that the hypothesis of time dilation is rejected with a probability of 4.4$ imes10^{-6}$ for redshifts out to z=6.6. Traditionally the lack of an apparent time dilation has been explained by an inverse correlation between luminosity and time measures together with strong luminosity selection as a function of redshift. It is shown that the inverse correlation between luminosity and some time measures is confirmed, but using concordance cosmology strong luminosity selection cannot be achieved. It may be possible to explain the apparent lack of time dilation with a combination of gamma-ray burst selection, some luminosity evolution and some time measure evolution. But this requires a remarkable coincidence in order to produce the apparent lack of time dilation. However the data are consistent with a static cosmology in a non-expanding universe.

研究动机与目标

• 检验伽马射线暴（GRB）时间测量值是否如膨胀宇宙中爱因斯坦理论所预测的那样表现出相对论性时间膨胀。
• 确定 GRB 数据中时间膨胀缺失的表观现象是否由光度选择、光度演化或其他选择效应所致。
• 评估观测数据是否与静态、非膨胀的宇宙学模型一致。
• 评估标准解释的有效性，即光度选择通过光度与 timescale 之间的反相关性掩盖了时间膨胀。

提出的方法

• 本研究对四种 GRB 时间测量值（T₉₀、τₗₐg、V（变异性）和 τ_RT）的对数进行加权线性回归，以红移（1+z）作为自变量。
• 通过使用逆方差作为权重，将这四个独立时间测量值的对数的加权平均构建组合时间测量值 τ₄。
• 通过估计 τ₄ 与 (1+z) 之间的幂律拟合指数来检验时间膨胀，其中指数为 1 表示完全时间膨胀。
• 在正态分布假设下，计算观测指数 ≥1（或对 V 为 ≤-1）的概率，以评估其与时间膨胀的一致性。
• 使用 5σ 准则排除异常爆发，并仅使用至少包含三个时间测量值的爆发来计算 τ₄，以减少偏差。
• 将分析结果与共形宇宙学的预测进行比较，并评估其与静态宇宙学的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移函数关系下，伽马射线暴时间测量值中是否存在统计上显著的时间膨胀证据？
• RQ2 观测到的时间膨胀缺失是否由强烈的光度选择、光度演化或其他选择效应所致？
• RQ3 时间膨胀的表观缺失是否可通过选择与演化效应的组合来解释，而无需依赖精细调谐的巧合？
• RQ4 数据更符合膨胀宇宙（具有时间膨胀）还是静态宇宙学（不具时间膨胀）？

主要发现

• 组合时间测量值 τ₄ 与红移无显著依赖关系，其指数为 0.03 ± 0.12，表明无时间膨胀。
• 观测指数 ≥1（表示时间膨胀）的概率仅为 4.4×10⁻⁶，强烈拒绝时间膨胀假设。
• 光度与时间测量值之间的反相关性得到证实，但在共形宇宙学框架下，强烈的光度选择无法解释时间膨胀的缺失。
• 仅靠光度演化无法解释观测数据，因为其要求演化模式与时间测量值演化模式恰好匹配。
• 数据与静态宇宙学完全一致，后者不发生时间膨胀。
• 即使单独分析 τₗₐg，其与时间膨胀一致的概率也仅为 9%，进一步削弱了时间膨胀存在的可能性。