[论文解读] Testing the cosmological principle with the Pantheon+ sample and the region-fitting method

Jian-Ping Hu, Yuyang Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2023

Statistical and numerical algorithmsMathematics被引用 3

一句话总结

本研究利用Pantheon+超新星样本和区域拟合方法检验了宇宙学原理，揭示了宇宙中不同方向上宇宙学参数存在显著各向异性。研究识别出一个位于(308.4°, -18.2°)的局部物质欠密度区域，以及一个宇宙各向异性的优选方向(313.4°, -16.8°)，其统计显著性分别为2.78σ和3.96σ，表明宇宙膨胀可能存在非均匀性。

ABSTRACT

The cosmological principle is fundamental to the standard cosmological model. It assumes that the Universe is homogeneous and isotropic on very large scales. As the basic assumption, it must stand the test of various observations. In this work, using the region fitting (RF) method, we mapped the all-sky distribution of cosmological parameters ($Ω_{m}$ and $H_{0}$) and find that the distribution significantly deviates from isotropy. A local matter underdensity region exists toward (${308.4^{\circ}}$$_{-48.7}^{+47.6}$, ${-18.2^{\circ}}$$_{-28.8}^{+21.1}$) as well as a preferred direction of the cosmic anisotropy (${313.4^{\circ}}$$_{-18.2}^{+19.6}$, ${-16.8^{\circ}}$$_{-10.7}^{+11.1}$) in galactic coordinates. Similar directions may imply that local matter density might be responsible for the anisotropy of the accelerated expansion of the Universe. Results of statistical isotropy analyses including Isotropy and Isotropy with real-data positions (RP) show high confidence levels. For the local matter underdensity, the statistical significances are 2.78$σ$ (isotropy) and 2.34$σ$ (isotropy RP). For the cosmic anisotropy, the statistical significances are 3.96$σ$ (isotropy) and 3.15$σ$ (isotropy RP). The comparison of these two kinds of statistical isotropy analyses suggests that inhomogeneous spatial distribution of real sample can increase the deviation from isotropy. The similar results and findings are also found from reanalyses of the low-redshift sample (lp+) and the lower screening angle ($θ_\mathrm{max}$ = 60$^{\circ}$), but with a slight decrease in statistical significance. Overall, our results provide clear indications for a possible cosmic anisotropy. This possibility must be taken seriously. Further testing is needed to better understand this signal.

研究动机与目标

• 利用最新的Pantheon+超新星样本检验宇宙学原理——即大尺度均匀性和各向同性的假设。
• 研究Ia型超新星分布的空间非均匀性是否会影响宇宙学参数的约束。
• 使用区域拟合方法检测宇宙中哈勃常数和物质密度在天空各方向上的潜在各向异性。
• 评估局部欠密度或优选方向是否可解释哈勃张力及其他宇宙学异常现象。

提出的方法

• 区域拟合（RF）方法将天球划分为多个方位区域，分别独立估算各区域的宇宙学参数（Ωₘ 和 H₀）。
• 分析Pantheon+样本的红移和天球位置分布，以评估空间非均匀性。
• 通过真实数据位置（RP）和各向同性假设进行统计各向同性检验，以量化偏离程度。
• 将全样本Pantheon+、低红移子样本（lp+）以及减小的筛选角（θₘₐₓ = 60°）的结果进行比较，以检验方法的稳健性。
• 在平坦ΛCDM模型下，全局约束的宇宙学参数为 Ωₘ = 0.36 ± 0.02 和 H₀ = 72.83 ± 0.23 km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 通过各向同性和各向同性-RP检验计算各向异性和欠密度的显著性水平，以考虑真实数据分布的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Pantheon+超新星样本的空间分布是否在宇宙学参数上表现出显著的各向异性？
• RQ2 宇宙膨胀速率是否存在偏离统计各向同性的优选方向？
• RQ3 局部物质欠密度能否解释观测到的哈勃参数各向异性？
• RQ4 在考虑真实数据空间分布的情况下，各向异性的统计显著性如何变化？
• RQ5 在不同样本选择或角度截断条件下，结果是否依然成立？

主要发现

• 在平坦ΛCDM模型下，Pantheon+样本的全局约束结果为 Ωₘ = 0.36 ± 0.02 和 H₀ = 72.83 ± 0.23 km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 在银道坐标系(308.4°, -18.2°)处识别出一个局部物质欠密度区域，在各向同性假设下显著性为2.78σ，在考虑真实数据位置的各向同性假设下为2.34σ。
• 在(313.4°, -16.8°)处发现宇宙各向异性的优选方向，各向同性假设下显著性为3.96σ，考虑真实数据位置的各向同性假设下为3.15σ。
• 引入真实数据的空间分布后，观测到的各向异性偏离程度增加，表明非均匀采样会增强各向异性信号。
• 在低红移子样本（lp+）和减小筛选角（θₘₐₓ = 60°）条件下也观测到类似的各向异性信号，尽管显著性略有降低。
• 结果为宇宙各向异性提供了有力证据，表明宇宙学原理在大尺度上可能被破坏，这可能是由于局部非均匀结构（如KBC空洞）所致。