[论文解读] The Local Hole: a galaxy under-density covering 90% of sky to ~200 Mpc

Jonathan H.W. Wong, T. Shanks+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究通过利用2MASS和2M++数据将$K$-波段星等计数扩展至天空的90%，证实了‘局部空洞’——即星系分布中的大尺度低密度区——的存在。在$z < 0.075$范围内，检测到20–22%的低密度，导致局部$H_0$测量值被系统性地高估约3%，从而在约3$σ$水平上加剧了与$Λ$CDM模型的$H_0$张力。

ABSTRACT

We investigate the `Local Hole', an anomalous under-density in the local galaxy environment, by extending our previous galaxy $K-$band number-redshift and number-magnitude counts to $\approx 90\%$ of the sky. Our redshift samples are taken from the 2MASS Redshift Survey (2MRS) and the 2M++ catalogues, limited to $K&lt;11.5$. We find that both surveys are in good agreement, showing an $\approx 21-22\%$ under-density at $z&lt;0.075$ when compared to our homogeneous counts model that assumes the same luminosity function and other parameters as in our earlier papers. Using the Two Micron All Sky Survey (2MASS) for $n(K)$ galaxy counts, we measure an under-density relative to this model of $20\pm 2 \%$ at $K&lt;11.5$, which is consistent in both form and scale with the observed $n(z)$ under-density. To examine further the accuracy of the counts model, we compare its prediction for the fainter $n(K)$ counts of the Galaxy and Mass Assembly (GAMA) survey. We further compare these data with a model assuming the parameters of a previous study where little evidence for the Local Hole was found. At $13

研究动机与目标

• 检验局部空洞——此前仅在有限天空区域被探测到——是否延伸至显著更大的天空覆盖范围。
• 通过量化大尺度低密度对距离阶梯结果的影响，解决局部$H_0$测量值与$Λ$CDM预测之间的张力。
• 评估先前研究中使用的星系计数模型的有效性，特别是那些假设均匀光度函数的模型。
• 通过对比多个调查的数据与模型预测，调和关于局部空洞的相互矛盾结果，包括Lavaux & Hudson (2011)与Jasche & Lavaux (2019)的研究结果。

提出的方法

• 利用2MASS和2M++星表，将$K$-波段星等-数量关系($n(m)$)和星等-红移关系($n(z)$))计数扩展至约90%的天空，限制条件为$|b| \geq 5^\circ$且$K < 11.5$。
• 构建了一个假设光度函数及其参数与先前工作一致的同质星系计数模型，作为比较的基准。
• 将模型预测与GAMA调查在较暗星等范围（$13 < K < 16$）的观测$n(K)$计数进行比较，以检验模型的稳健性。
• 评估该模型相对于其他替代模型的拟合效果，包括Lavaux & Hudson (2011)提出的较低光度函数归一化模型，以评估对光度函数假设的敏感性。
• 量化低密度随红移和星等的变化，并通过大尺度结构引起的速度偏移，估算其对局部$H_0$测量的影响。
• 评估该低密度相对于$Λ$CDM预期的显著性，发现由于尺度和幅度的不一致，导致约3$σ$水平的张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 局部空洞低密度区是否延伸至超过之前研究覆盖的约20%天空范围的大部分天空？
• RQ2 在$n(z)$和$n(K)$计数中观测到的低密度在多大程度上导致了对哈勃常数$H_0$的局部测量值产生偏差？
• RQ3 为何一些研究（如Lavaux & Hudson 2011）未能探测到局部空洞？这是否源于对光度函数的错误假设？
• RQ4 观测到的低密度能否与$Λ$CDM模型相容？还是表明宇宙结构形成理论存在根本性张力？
• RQ5 星系计数结果与超新星和速度流的动力学证据相比如何？

主要发现

• 局部空洞覆盖了约90%的天空，且在$z < 0.075$范围内，$n(z)$和$n(K)$计数中均检测到显著的低密度。
• 在$K$-波段计数中，相对于同质模型，一致测得$20 \pm 2\%$的低密度，证实了来自红移计数的结果。
• 该低密度导致局部哈勃常数$H_0$的测量值被高估约3%，这有助于缓解但无法完全消除与早期宇宙$Λ$CDM预测之间的$H_0$张力。
• 本研究采用的较高光度函数归一化模型在$13 < K < 16$范围内对GAMA $n(K)$计数的拟合效果，显著优于Lavaux & Hudson (2011)提出的较低归一化模型。
• 观测到的低密度与$Λ$CDM宇宙学在约3$σ$显著性水平上不一致，表明可能存在大尺度非均匀性。
• 部分研究未能探测到局部空洞，原因在于其使用了源自空洞内部的光度函数参数，导致光度函数归一化被系统性地低估。