[论文解读] Probing the Anisotropic Universe with Gravitational Waves

Eoin Ó Colgáin|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文首次对引力波标准汽笛源进行半球分解，以检验哈勃常数的各向异性，发现仅考虑暗汽笛源时，其在CMB偶极方向表现出更高的$H_0$，但加入明亮汽笛源后该趋势反转。当前数据有限，结果与各向同性一致，但未来引力波探测或可证实或否定各向异性膨胀。

ABSTRACT

Modern cosmology rests on the working assumption that the Universe is isotropic and homogeneous at large scales. Here, we document a number of anomalous observations pointing to an anisotropic Universe in a direction consistent with the CMB dipole. If physical, this should be confirmed by any cosmological probe with sufficient data quality. To that end, we perform the first hemispherical decomposition of bright and dark standard siren $H_0$ determinations, finding that the maximum of the $H_0$ posterior is larger in the CMB dipole direction for dark sirens, but including the bright siren posterior reverses this conclusion. As may be expected, the limited number of GW observations is consistent with an isotropic Universe, but this can change going forward. It is imperative to repeat these tests as GW sources become more numerous and better localised.

研究动机与目标

• 检验哈勃常数在晚期宇宙中是否表现出方向依赖性，特别是与CMB偶极方向对齐。
• 研究引力波标准汽笛源（包括有电磁对应体的明亮汽笛源和无电磁对应体的暗汽笛源）能否探测$H_0$的各向异性。
• 评估当前引力波数据是否支持或反驳其他宇宙学探针（如超新星、强引力透镜和类星体）中观测到的异常各向异性。
• 为未来引力波事件率提升和定位精度改善后提供测试框架。
• 评估表观$H_0$张力是否可通过各向异性膨胀而非宇宙学模型失效来解释。

提出的方法

• 沿CMB偶极方向（l=264°, b=48°）对引力波标准汽笛源的$H_0$后验分布进行半球分解。
• 分别分析有电磁对应体的明亮汽笛源和无电磁对应体的暗汽笛源，使用GWTC-1及GWTC-2/3中的后验分布。
• 应用统计半球比较方法，检测由CMB偶极定义的两个半球之间$H_0$值的不对称性。
• 使用贝叶斯推断比较各半球的$H_0$后验分布，评估差异的显著性。
• 在分析中考虑明亮汽笛源与暗汽笛源之间定位精度和信噪比的差异。
• 随着新引力波事件的出现，重复分析以追踪各向异性显著性的演变。

实验结果

研究问题

• RQ1 从引力波标准汽笛源推断的哈勃常数是否表现出与CMB偶极方向对齐的半球不对称性？
• RQ2 分别分析明亮汽笛源与暗汽笛源时，结果有何不同？
• RQ3 观测到的$H_0$不对称性是否与统计涨落一致，还是暗示宇宙膨胀存在物理各向异性？
• RQ4 引力波宇宙学能否为光学和射电探针中观测到的各向异性$H_0$趋势提供独立验证？
• RQ5 随着引力波事件数量增加和定位精度提升，任何检测到的各向异性显著性将如何变化？

主要发现

• 仅考虑暗汽笛源时，其在CMB偶极方向的$H_0$后验分布最大值更高，提示可能存在各向异性。
• 加入明亮汽笛源后，该趋势反转，表明电磁对应体的存在会改变半球$H_0$分布。
• 当前引力波事件样本量过小，无法确认或排除各向异性，结果仍与各向同性一致。
• 观测到的$H_0$半球不对称性在定性上与超新星、强引力透镜和类星体中观测到的异常现象一致。
• 潜在各向异性的方向与CMB偶极方向及半球功率不对称性一致，提示存在一致的大尺度结构。
• 未来具有更高事件率和更优定位精度的引力波数据对测试任何检测到的各向异性鲁棒性至关重要。