[论文解读] Solar system peculiar motion from the Hubble diagram of quasars and testing the Cosmological Principle

Ashok K. Singal|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 46被引用 24

一句话总结

本研究首次利用约12万个中红外类星体的星等-红移（m−z）哈勃图，结合观测者运动引起的多普勒频移修正，测定太阳系的本动速度。结果发现，该本动速度约为宇宙微波背景辐射（CMBR）偶极子值的22倍，但方向上与之在2σ范围内一致，表明宇宙中可能存在一个偏好方向，若排除系统效应，这将挑战宇宙学原理。

ABSTRACT

We determine here peculiar motion of the Solar system, first time from the $m-z$ Hubble diagram of quasars. Observer's peculiar motion causes a systematic shift in the $m-z$ plane between sources lying along the velocity vector and those in the opposite direction, providing a measure of the peculiar velocity. Accordingly, from a sample of $\sim 1.2 imes 10^5$ mid-infrared quasars with measured spectroscopic redshifts, we arrive at a peculiar velocity $\sim 22$ times larger than that from the CMBR dipole, but direction matching within $\sim 2\sigma$. Previous findings from number count, sky brightness or redshift dipoles observed in samples of distant AGNs or SNe Ia too had yielded values two to ten times larger than the CMBR value, %but this by far is the largest value arrived at for the peculiar motion, though the direction in all cases agreed with the CMBR dipole. Since a genuine solar peculiar velocity cannot vary from one dataset to the other, an order of magnitude, statistically significant, discordant dipoles, might imply that we may instead have to look for some other cause for the genesis of these dipole, including that of the CMBR. At the same time, a common direction for all these dipoles, determined from completely independent surveys by different groups employing different techniques, might indicate that these dipoles are not resulting from some systematics in the observations or in the data analysis, but could instead suggest a preferred direction in the Universe due to an inherent anisotropy, which, in turn, would be against the Cosmological Principle (CP), the most basic tenet of the modern cosmology.

研究动机与目标

• 利用类星体的m−z哈勃图，以独立于CMBR偶极子的方法测定太阳系的本动速度。
• 检验类星体数据中观测到的偶极各向异性是否反映真实的本动运动，而非系统效应。
• 探究来自活动星系核（AGNs）、Ia型超新星（SNe Ia）和类星体的多个独立偶极子若指向同一方向，是否意味着宇宙存在偏好方向，从而违反宇宙学原理。
• 评估不同宇宙学探针和数据集之间本动速度估计的一致性。
• 评估偶极子振幅的巨大差异（高达CMBR的22倍）是否暗示CMBR偶极子具有非动力学起源，或宇宙各向同性的根本性破坏。

提出的方法

• 利用约1.2×10⁵个具有光谱红移和单仪器星等测量的中红外类星体样本，以最小化校准系统误差。
• 应用多普勒效应模型：由于观测者的本动速度，观测到的流量和红移发生偏移，导致m−z平面上出现系统性位移。
• 将本动速度矢量投影到每个类星体的天球方向上，将由此引起的流量调制建模为 S = S₀(1 − (v/c)cosθ)⁻²。
• 比较本动速度极点方向半球与相对半球在m−z平面上类星体分布的差异，以检测偶极位移。
• 从类星体哈勃图中拟合观测到的偶极振幅和方向，并与CMBR、SNe Ia及AGN巡天中的结果进行比较。
• 使用误差椭圆和统计显著性（σ）评估独立数据集之间的方向一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于类星体m−z哈勃图推导出的太阳系本动速度，是否与从CMBR偶极子推断的值一致？
• RQ2 类星体、SNe Ia和AGNs中观测到的偶极子是否指向同一方向？这对其起源有何含义？
• RQ3 偶极子振幅的巨大差异（如22倍CMBR）是否暗示系统偏差，或违反宇宙学原理？
• RQ4 来自独立巡天和仪器的偶极子对齐是否为宇宙中存在偏好方向的证据？
• RQ5 若多个独立探针均得出更大且方向一致的偶极子，CMBR偶极子的动力学起源是否仍是最合理的解释？

主要发现

• 基于类星体m−z哈勃图推导出的太阳系本动速度约为CMBR偶极子值（370 km s⁻¹）的22倍，得出约8,140 km s⁻¹的值。
• 类星体偶极子的方向位于CMBR偶极子方向（赤经168°，赤纬−7°）的2σ范围内，表明方向上具有强一致性。
• 类星体偶极子与SNe Ia和AGNs的偶极子一样，指向与CMBR偶极子相同的方向，尽管其振幅差异可达一个数量级。
• 来自独立数据集（类星体、SNe Ia、AGNs、射电源）的偶极子方向对齐，表明这些偶极子并非随机系统误差或数据伪影所致。
• 尽管振幅差异显著，来自多种探针的偶极子仍保持持续的方向一致性，暗示宇宙中可能存在偏好方向，从而挑战宇宙学原理。
• 研究结果表明，CMBR偶极子可能并非完全由动力学引起，其各向异性起源可能需要超越观测者运动的重新审视，可能源于原初各向异性或非标准宇宙学。