[论文解读] Testing the Cosmological Principle with CatWISE Quasars: A Bayesian Analysis of the Number-Count Dipole

Lawrence Dam, Geraint F. Lewis+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

该对136万颗CatWISE类星体的贝叶斯分析确认了其数量计数中存在一个方向与CMB偶极子一致的偶极子，但其振幅比由运动引起的预期值大2.7倍，与ΛCDM预测存在5.7σ的差异。该研究将部分张力归因于银道面遮蔽，其导致功率泄漏至更高阶多极，从而抑制了预期的偶极子振幅。

ABSTRACT

The Cosmological Principle, that the Universe is homogeneous and isotropic on sufficiently large scales, underpins the standard model of cosmology. However, a recent analysis of 1.36 million infrared-selected quasars has identified a significant tension in the amplitude of the number-count dipole compared to that derived from the CMB, thus challenging the Cosmological Principle. Here we present a Bayesian analysis of the same quasar sample, testing various hypotheses using the Bayesian evidence. We find unambiguous evidence for the presence of a dipole in the distribution of quasars with a direction that is consistent with the dipole identified in the CMB. However, the amplitude of the dipole is found to be 2.7 times larger than that expected from the conventional kinematic explanation of the CMB dipole, with a statistical significance of $5.7σ$. To compare these results with theoretical expectations, we sharpen the $Λ$CDM predictions for the probability distribution of the amplitude, taking into account a number of observational and theoretical systematics. In particular, we show that the presence of the Galactic plane mask causes a considerable loss of dipole signal due to a leakage of power into higher multipoles, exacerbating the discrepancy in the amplitude. By contrast, we show using probabilistic arguments that the source evolution of quasars improves the discrepancy, but only mildly so. These results support the original findings of an anomalously large quasar dipole, independent of the statistical methodology used.

研究动机与目标

• 使用大样本红外选类星体的数量计数偶极子各向异性来检验宇宙学原理。
• 确定观测到的类星体计数偶极子是否与我们相对于CMB静止参考系运动所预期的运动偶极子一致。
• 使用贝叶斯证据和模型比较量化偶极子振幅差异的统计显著性。
• 评估观测系统误差（尤其是银道面遮蔽和源演化）对ΛCDM中预期偶极子振幅的影响。
• 评估该异常是否可由理论不确定性解释，或是否表明对标准宇宙学模型的根本性挑战。

提出的方法

• 对CatWISE类星体星表应用贝叶斯层次模型，从全天分布的计数波动中推断偶极子振幅和方向。
• 使用泊松分布计数的似然函数建模观测到的偶极子，引入与偶极子方向夹角余弦成比例的偶极子项。
• 计算多个模型（如偶极子与各向同性）的贝叶斯证据，以比较其在给定数据下的相对合理性。
• 使用HEALPix和蒙特卡洛方法在ΛCDM下模拟全天空偶极子分布，包括银道面遮蔽和红移相关谱指数的影响。
• 通过在运动偶极子模型中引入红移相关谱指数，考虑放大率偏差和源演化等系统误差。
• 将观测到的偶极子振幅后验分布与理论预测分布进行比较，对所有其他参数进行边缘化，以评估统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CatWISE类星体观测到的数量计数偶极子在统计上是否与我们相对于CMB静止参考系运动所预期的运动偶极子一致？
• RQ2 观测到的类星体偶极子与ΛCDM预测的运动偶极子之间振幅差异的统计显著性如何？
• RQ3 观测系统误差（尤其是银道面遮蔽）如何改变ΛCDM中预期偶极子振幅分布？
• RQ4 类星体谱指数的红移演化在多大程度上影响预测的偶极子振幅以及观测到的张力？
• RQ5 通过已知的理论或观测不确定性，能否调和观测到的异常与ΛCDM的一致性？

主要发现

• 数据明确显示类星体数量计数中存在一个偶极子，振幅为 $ D = (19 \pm 2) \times 10^{-3} $，方向为 $ (l,b) = (237.2^{+7.9}_{-8.0}, 41.8 \pm 5.0)^\circ $，与CMB偶极子方向一致。
• 观测到的偶极子振幅是运动学预期值 $ 5 \times 10^{-3} $ 的2.7倍，对应速度为 $ 1002\,\mathrm{km\,s^{-1}} $，差异达到 $ 5.7\sigma $ 水平。
• 银道面遮蔽显著抑制了全天空ΛCDM模拟中的预期偶极子振幅，通过将功率泄漏至更高阶多极，加剧了观测到的张力。
• 引入类星体的红移依赖谱指数略微减小了张力，但不足以解决差异，原因在于放大率偏差和红移分布的不确定性。
• 即使在考虑系统误差后，偶极子振幅仍显著偏大，表明与标准模型存在稳健的张力。
• 对RACS和NVSS射电巡天的并行贝叶斯分析发现，偶极子振幅也超出预期约3倍，显著性达4.8σ，支持该结果的稳健性。