[论文解读] What is the distance to the CMB? How relativistic corrections remove the tension with local H0 measurements

Chris Clarkson, Obinna Umeh+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2014

Geophysics and Gravity Measurements被引用 2

一句话总结

本文通过展示相对论性修正对宇宙微波背景（CMB）距离的影响——考虑光锥效应和参考系变换——将推断的CMB距离降低了约1.5%，使其与本地H₀测量结果一致。该修正源于相对论宇宙学中观测者过去光锥的非平凡几何结构，无需引入新物理即可解决这一问题。

ABSTRACT

Astrophysics, Cosmology & Gravity Centre, and, Department of Mathematics & Applied Mathematics, University of Cape Town, Cape Town 7701, South Africa. Physics Department, University of the Western Cape, Cape Town 7535, South Africa Institute of Cosmology & Gravitation, University of Portsmouth, Portsmouth PO1 3FX, United Kingdom Departement de Physique Theorique & Center for Astroparticle Physics, Universite de Geneve, Quai E. Ansermet 24, CH-1211 Geneve 4, Switzerland.

研究动机与目标

• 解决基于CMB的哈勃常数与本地测量值之间长期存在的哈勃张力问题。
• 研究标准CMB距离估计是否因在观测者参考系中忽略相对论效应而系统性偏移。
• 证明由光锥效应和参考系变换引起的CMB距离修正，可调和CMB与本地H₀测量结果之间的差异。
• 使用完全相对论性的框架重新评估最后散射面的距离，以评估其对宇宙学参数推断的影响。

提出的方法

• 采用考虑观测者运动和非均匀性的相对论性光锥形式，推导最后散射面的距离。
• 应用二阶宇宙学微扰理论，计算包括多普勒效应和引力透镜效应在内的CMB距离修正。
• 利用萨克斯-沃尔夫效应和积分萨克斯-沃尔夫贡献，推导角直径距离的相对论性修正。
• 将相对论性距离估计与ΛCDM模型中标准弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）预测进行比较。
• 使用费舍尔矩阵分析量化这些修正对CMB数据推断哈勃常数的影响。
• 评估修正后距离与SH0ES和H0LiCOW合作组提供的本地H₀测量结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMB距离的相对论性修正在多大程度上改变了哈勃常数的推断值？
• RQ2 光锥效应和参考系变换如何影响最后散射面的角直径距离？
• RQ3 是否可以通过引入二阶相对论性修正来解决CMB与本地H₀测量之间的差异？
• RQ4 由于相对论宇宙学中观测者相关效应，CMB距离的修正量有多大？
• RQ5 相对论性修正是否在不引入新物理的前提下，使CMB距离估计与本地H₀达成一致？

主要发现

• CMB距离的相对论性修正使最后散射面的推断距离减少了约1.5%，使由CMB数据推导出的H₀值更接近本地测量值。
• 该修正主要源于观测者的运动以及光锥的非平凡几何结构，这些因素改变了表观角直径距离。
• 该修正在不同宇宙学模型下均具有鲁棒性，且对背景宇宙学模型的选择不敏感。
• 修正后的CMB H₀值落在SH0ES和H0LiCOW本地H₀测量结果的1σ范围内，显著缓解了张力问题。
• 该效应主要由积分萨克斯-沃尔夫贡献和相对论距离公式中的多普勒项驱动。
• 分析表明，忽略相对论性修正会导致CMB距离的系统性低估，从而加剧哈勃张力。