[论文解读] Two fundamental cosmological laws of the Local Universe

Yu. V. Baryshev|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用 3

一句话总结

本文在本星系群附近宇宙中识别出两条经验性宇宙学定律：线性哈勃-休马森-桑德奇红移-距离关系（z ∝ R）与密度-半径幂律关系（Γ(r) ∝ r⁻ᵞ），二者均独立于理论模型被观测到。其核心贡献在于，这些定律对标准宇宙学模型构成挑战——该模型以均匀性作为哈勃定律的基础，然而这些定律却在1–100 Mpc尺度上强烈表现出非均匀、类似分形的结构中成立。

ABSTRACT

The Local Universe is the most detail studied part of the observable region of space with the radius R about 100 Mpc. There are two empirical fundamental cosmological laws directly established from observations in the Local Universe independently from cosmological theory: first, the Hubble-Humason-Sandage linear redshift-distance law and second, Carpenter- Karachentsev-deVaucouleurs density-radius power-law. Review of modern state of these empirical laws and their cosmological significance is given. Possible theoretical interpretations of the surprising coexistence of both laws at the spatial scales from 1 Mpc to 100 Mpc are discussed. Comparison of the standard space-expansion explanation of the cosmological redshift with possible global gravitational redshift model is given

研究动机与目标

• 在不依赖理论模型的前提下，建立并回顾本星系群附近宇宙中两条基本经验性宇宙学定律。
• 研究在1–100 Mpc区域内线性红移-距离定律与密度-半径幂律共存的宇宙学意义。
• 通过展示哈勃定律在非均匀、类似分形的结构中依然成立，挑战标准宇宙学模型中认为哈勃定律源于大尺度均匀性的假设。
• 探讨这些定律的理论解释，包括空间膨胀与全局引力红移模型的比较。
• 提出并评估直接观测检验方法，以区分宇宙膨胀与全局引力红移。

提出的方法

• 分析本星系群（1–100 Mpc）中869个星系距离的观测数据，以验证线性红移-距离关系。
• 应用完整的相关函数Γ(r)来量化星系团聚，并推导出幂律密度-半径关系Γ(r) ∝ r⁻ᵞ。
• 使用哈勃-休马森-桑德奇定律（z = H_loc × R / c）将宇宙红移表示为表观径向速度。
• 将空间膨胀模型与全局引力红移模型进行比较，二者均能重现相同的红移-距离关系。
• 评估所提出的直接检验方法：桑德奇的z(t)检验（dz/dt ∼ 1 cm s⁻¹/yr）与科佩伊金的Δν/ν检验（Δν/ν ≈ 4×10⁻¹⁵，对应H₀ = 70 km s⁻¹/Mpc）。
• 利用高精度太阳系跟踪数据及未来任务如PHARAO，探测由全局膨胀引起的宇宙频率漂移。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在存在强烈非均匀性与类似分形的星系分布的情况下，本星系群中的线性红移-距离定律依然成立？
• RQ2 在大尺度结构形成背景下，密度-半径幂律Γ(r) ∝ r⁻ᵞ的物理起源是什么？
• RQ3 宇宙红移是否可由全局引力红移而非空间膨胀来解释？如何通过观测加以区分？
• RQ4 有哪些直接的观测检验方法可证实或排除宇宙尺度空间膨胀的物理现实？
• RQ5 本星系群的经验定律如何挑战标准宇宙学模型中关于均匀性的基础假设？

主要发现

• 哈勃-休马森-桑德奇线性红移-距离定律（z = H_loc × R / c）在156个本星系群星系中得到稳健验证，H_loc = 72 ± 3 km s⁻¹/Mpc。
• 本星系群中观测到密度-半径幂律Γ(r) ∝ r⁻ᵞ，其中VL2N样本来自2MRS巡天，γ ≈ 1。
• 线性哈勃定律在1–10 Mpc尺度上依然成立，而该尺度上星系分布表现出强烈非均匀性与类似分形的特征，与标准模型依赖均匀性的假设相矛盾。
• 空间膨胀模型与全局引力红移模型产生完全相同的红移-距离关系，因此在缺乏直接距离-时间测量的情况下，二者在观测上不可分辨。
• 提出一项关键检验：利用未来极大望远镜（ELT）观测测量红移的时间导数（dz/dt ∼ 1 cm s⁻¹/yr）。
• 在太阳系中，10³秒内频率漂移Δν/ν ≈ 4×10⁻¹⁵可探测宇宙膨胀，例如通过PHARAO等原子钟实验，而在非膨胀宇宙中预期漂移为零。