DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2026/02/043
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Micol Benetti وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الكون ونظريات الجاذبية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في نموذج كوني نسبي يتميز بالدوران الخلفي ومصدره سائل غير مثالي مع إجهاد غير متجانس. باستخدام كود بولتزمان CLASS المعدل، أجرى المؤلفون تحليلات سلسلة ماركوف مونت كارلو (MCMC) مقابل بيانات الخلفية الكونية الميكروية (CMB) وبيانات الوقت المتأخر. تشير النتائج إلى أن بيانات CMB الحالية تفرض قيودًا ضئيلة على معامل الدوران الحالي، مما يؤدي إلى معلمات كونية تتماشى عن كثب مع قيم ΛCDM القياسية. ومع ذلك، فإن الملاحظات المتأخرة، مثل المستعرات العظمى من النوع Ia (SNe) والتذبذبات الصوتية الباريونية (BAO)، تسمح بمعامل دوران أعلى، والذي يرتبط بزيادة في ثابت هابل ولكنه يؤدي أيضًا إلى قيمة أعلى من σ₈، مما يخلق توترًا مع قياسات DES-Y3.
تخلص الدراسة إلى أنه بينما لا يخفف إدراج الدوران الكوني بشكل كبير من توتر هابل، إلا أنه يكشف عن علاقات مثيرة بين الزخم الزاوي والكتلة في المجرات، مما يشير إلى آثار محتملة لتشكيل الهيكل في كون دوار. يؤكد التحليل على أن الملاحظات الحالية لـ CMB تقيد بشدة آثار الدوران الكوني على المستوى الخلفي، وعلى الرغم من أن بيانات الوقت المتأخر قد تشير إلى زيادة طفيفة في ثابت هابل، إلا أنها لا توفر حلاً قويًا لتوتر هابل. ومن الجدير بالذكر أن المؤلفين يبرزون نتائج مثيرة بشأن الزخم الزاوي المرتبط بمعامل الدوران، مما يبرز أوجه التشابه مع الثقوب السوداء كير القصوى وكمية العمل، مما قد يتطلب مزيدًا من التفسير الفيزيائي.
مقدمة
تتناول المقدمة توتر هابل المستمر، والذي يبرز التباين بين قيم ثابت هابل $H_0$ المشتقة من المستعرات العظمى من النوع Ia (SNe Ia) المعايرة بواسطة سيفيد و تلك المستنتجة من الخلفية الكونية الميكروية (CMB). تشمل التفسيرات المقترحة لهذا التوتر الأخطاء النظامية المحتملة في معايرة سيفيد و SNe Ia، بالإضافة إلى نماذج كونية بديلة مختلفة تكافح عمومًا للتوفيق بين التباين دون المساس بملاءمة طيف عدم تجانس CMB. من بين هذه البدائل، تم استكشاف الكوزمولوجيات الدوارة، التي بدأت بحل غودل لمعادلات حقل أينشتاين، مما يظهر أن معلمات الدوران الصغيرة يمكن أن تتجنب انتهاكات السببية.
أعاد العمل الأخير من Szigeti وآخرون زيارة الدوران فيما يتعلق بتوتر هابل ولكنه كان يفتقر إلى إطار نسبي كامل. تهدف هذه الدراسة إلى سد تلك الفجوة من خلال فحص نموذج كوني دوار نسبي يعتمد على مقياس من نوع غودل، والذي يتضمن سائل غير مثالي مع إجهاد غير متجانس. يقدم هذا النموذج دوارًا صغيرًا في التوسع الكوني، مما قد يعدل القيمة المستنتجة لـ $H_0$ مع الحفاظ على نجاحات النموذج الكوني القياسي. باستخدام كود بولتزمان CLASS، يقوم المؤلفون بتنفيذ الديناميات الخلفية لهذا النموذج الدوار لملاءمة طيف القوة الزاوية لعدم تجانس CMB الملاحظ، ويجدون أن إدراج الدوران لا يغير بشكل كبير ثابت هابل. يوضح البحث هيكله، مع تفاصيل الأقسام اللاحقة حول النموذج الدوار، ودالة هابل، والتنفيذ العددي، والاستنتاجات.
النتائج
تكشف نتائج تحليل سلسلة ماركوف مونت كارلو (MCMC)، باستخدام حزمة COBAYA وكود بولتزمان CLASS المعدل، عن رؤى مهمة حول المعلمات الكونية باستخدام كل من بيانات الوقت المبكر والوقت المتأخر. يتضمن التحليل بيانات الخلفية الكونية الميكروية (CMB) من إصدار بلانك 2018 وبيانات الوقت المتأخر من مستعرات بانثيون العظمى وقياسات مختلفة للتذبذبات الصوتية الباريونية (BAO). ومن الجدير بالذكر أن المقدار المطلق للمستعرات العظمى من النوع Ia تم التعامل معه كمعامل حر، مع أولوية غاوسية على القياس المحلي لثابت هابل، $H_0$، المستمد من Riess وآخرون (2021). تشير النتائج إلى أن بيانات CMB تقيد معامل الدوران الحالي إلى قيمة متوافقة مع الصفر، مما يشير إلى أن CMB لا تدعم نموذجًا كونيًا دوارًا.
لا يغير التحليل المشترك لبيانات CMB وSNe+BAO بشكل كبير القيم المركزية للمعلمات المستمدة من تحليلات CMB فقط ولكنه يوسع أشرطة الخطأ، مما يسمح بتوافق أكبر مع قيم أعلى من $H_0$ (على وجه التحديد، $H_0 < 70.20 \, \text{km/s-Mpc}$ عند مستوى ثقة 99%). يسمح التحليل القائم فقط على مجموعة بيانات SNe من بانثيون وقياسات BAO بقيم أكبر لمعامل الدوران و$H_0$ أعلى، مما يكشف عن ارتباط إيجابي بين $H_0$ و$\sigma_8$ (مع $\sigma_8 = 0.944 \pm 0.057$)، مما يظهر توترًا هامشيًا مع قياسات أخرى. تشير التقييمات الإحصائية، بما في ذلك قيم $\Delta \chi^2$ ومعيار معلومات Deviance (DIC)، إلى تفضيل معتدل للنموذج القياسي $\Lambda$CDM على النموذج الذي تم تحليله عند استخدام بيانات CMB وSNe+BAO، بينما لا تظهر مجموعة البيانات المجمعة تفضيلًا كبيرًا لأي من النموذجين.
المناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون آثار نموذج كوني دوار، تحديدًا مقياس من نوع غودل، على ديناميات الكون وتوتر هابل. يستنتجون معادلات أينشتاين لكل من العصور التي تهيمن عليها الإشعاع وتلك التي تهيمن عليها المادة، مما يظهر أن معامل الدوران \( l \) يؤثر على تطور عامل المقياس \( a(\eta) \) وكثافة الطاقة \( \epsilon \). في عصر الإشعاع، يبقى \( l \) ثابتًا، مما يؤدي إلى سلوك كوني قياسي، بينما في عصر المادة، ينخفض \( l \) مع عامل المقياس، مما يؤثر على الضغوط وديناميات كثافة الطاقة. يجد المؤلفون أن المكونات غير القطرية من موتر الطاقة والزخم يمكن تجاهلها تحت ظروف معينة، مما يسمح بتحليل مبسط لتوسع الكون.
تدرس الدراسة أيضًا الآثار المحتملة للدوران الكوني على معامل هابل \( H \) وآثاره على الملاحظات الكونية. من خلال تحليل البيانات من قمر بلانك الصناعي ومصادر أخرى، يحددون حدودًا قصوى على معامل الدوران، مشيرين إلى أنه بينما يمكن أن يزيد مكون الدوران الصغير قليلاً من ثابت هابل المستنتج، إلا أنه لا يخفف بشكل كبير من التوتر القائم بين قياسات \( H_0 \) المبكرة والمتأخرة. يخلص المؤلفون إلى أنه على الرغم من الطبيعة المثيرة للاهتمام للدوران الكوني، إلا أنه لا يوفر حلاً قويًا لتوتر هابل، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لآثار الدوران في سياق تشكيل الهيكل على نطاق واسع وتطور الكون.
DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2026/02/043
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Micol Benetti et al.
Primary Topic: Cosmology and Gravitation Theories
Overview
This research investigates a relativistic cosmological model characterized by background rotation and sourced by a non-perfect fluid with anisotropic stress. Utilizing a modified CLASS Boltzmann code, the authors conducted Monte Carlo Markov Chain (MCMC) analyses against Cosmic Microwave Background (CMB) and late-time datasets. The findings indicate that current CMB data impose a negligible constraint on the present-day rotation parameter, resulting in cosmological parameters that align closely with standard ΛCDM values. However, late-time observations, such as Type Ia supernovae (SNe) and Baryonic Acoustic Oscillations (BAO), permit a higher rotation parameter, which correlates with an increased Hubble constant but also leads to a higher value of σ₈, creating tension with DES-Y3 measurements.
The study concludes that while the inclusion of cosmic rotation does not significantly alleviate the Hubble tension, it does reveal intriguing relationships between angular momentum and mass in galaxies, suggesting potential implications for structure formation in a rotating universe. The analysis emphasizes that current CMB observations strongly constrain cosmic rotation effects at the background level, and although late-time data may suggest a slight increase in the Hubble constant, it does not provide a robust resolution to the Hubble tension. Notably, the authors highlight curious results regarding the angular momentum associated with the rotation parameter, drawing parallels to extremal Kerr black holes and the quantum of action, which may warrant further physical interpretation.
Introduction
The introduction addresses the ongoing Hubble tension, which highlights the discrepancy between the Hubble constant $H_0$ values derived from Cepheid-calibrated Type Ia supernovae (SNe Ia) and those inferred from the Cosmic Microwave Background (CMB). Proposed explanations for this tension include potential systematic errors in the calibration of Cepheids and SNe Ia, as well as various alternative cosmological models that generally struggle to reconcile the discrepancy without compromising the fit of the CMB anisotropy spectrum. Among these alternatives, rotating cosmologies, initiated by Gödel’s solution to Einstein’s field equations, have been explored, demonstrating that small rotation parameters can avoid causality violations.
Recent work by Szigeti et al. revisited rotation concerning the Hubble tension but lacked a fully relativistic framework. This study aims to fill that gap by examining a relativistic rotating cosmological model based on a Gödel-type metric, which incorporates a non-perfect fluid with anisotropic stress. This model introduces a small vorticity in cosmic expansion, potentially modifying the inferred value of $H_0$ while maintaining the successes of the standard cosmological model. Utilizing the CLASS Boltzmann code, the authors implement the background dynamics of this rotating model to fit the observed CMB anisotropy angular power spectrum, finding that the inclusion of rotation does not significantly alter the Hubble constant. The paper outlines its structure, with subsequent sections detailing the rotating model, the Hubble function, numerical implementation, and conclusions.
Results
The results of the Monte Carlo Markov Chain (MCMC) analysis, utilizing the COBAYA package and a modified CLASS Boltzmann code, reveal significant insights into cosmological parameters using both early-time and late-time datasets. The analysis incorporates the Cosmic Microwave Background (CMB) data from the Planck 2018 release and late-time data from the Pantheon Supernovae and various Baryon Acoustic Oscillation (BAO) measurements. Notably, the absolute magnitude of type Ia Supernovae was treated as a free parameter, with a Gaussian prior on the local measurement of the Hubble constant, $H_0$, derived from Riess et al. (2021). The results indicate that the CMB data constrain the present-day rotation parameter to a value compatible with zero, suggesting that the CMB does not support a rotating cosmological model.
The combined analysis of CMB and SNe+BAO datasets does not significantly alter the central values of parameters derived from CMB-only analyses but does widen the error bars, allowing for greater compatibility with higher values of $H_0$ (specifically, $H_0 < 70.20 \, \text{km/s-Mpc}$ at 99% confidence level). The analysis based solely on the Pantheon SNe dataset and BAO measurements permits larger values of the rotation parameter and a higher $H_0$, revealing a positive correlation between $H_0$ and $\sigma_8$ (with $\sigma_8 = 0.944 \pm 0.057$), which shows a marginal tension with other measurements. The statistical evaluation, including $\Delta \chi^2$ and Deviance Information Criterion (DIC) values, indicates a moderate preference for the standard $\Lambda$CDM model over the analyzed model when using CMB and SNe+BAO datasets, while the combined dataset does not exhibit a significant preference for either model.
Discussion
In this section, the authors investigate the implications of a rotating cosmological model, specifically a Gödel-type metric, on the dynamics of the universe and the Hubble tension. They derive the Einstein equations for both radiation-dominated and matter-dominated eras, demonstrating that the rotation parameter \( l \) influences the evolution of the scale factor \( a(\eta) \) and energy density \( \epsilon \). In the radiation era, \( l \) remains constant, leading to standard cosmological behavior, while in the matter era, \( l \) decreases with the scale factor, affecting the pressures and energy density dynamics. The authors find that the non-diagonal components of the energy-momentum tensor can be neglected under certain conditions, allowing for a simplified analysis of the universe’s expansion.
The study also examines the potential effects of cosmic rotation on the Hubble parameter \( H \) and its implications for cosmological observables. By analyzing data from the Planck satellite and other sources, they establish upper limits on the rotation parameter, indicating that while a small rotational component could slightly increase the inferred Hubble constant, it does not significantly alleviate the existing tension between early and late-time measurements of \( H_0 \). The authors conclude that despite the intriguing nature of cosmic rotation, it does not provide a robust solution to the Hubble tension, emphasizing the need for further exploration of rotational effects in the context of large-scale structure formation and cosmological evolution.