sciEncE

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글목록][이 전][다 음]
[ sciEncE ] in KIDS
글 쓴 이(By): darkman (밤이슬)
날 짜 (Date): 2001년 1월  8일 월요일 오후 01시 29분 41초
제 목(Title): Re: Is it true?
이글을 쓴 사람은 저명한 천문학자 wright입니다.


Note: Irving Segal died on 30 Aug 1998. 
ERRORS in the CHRONOMETRIC COSMOLOGY: CMB, Source Counts, and Redshifts 
I. CMB 
The chronometric cosmology proposed by Segal is incompatible with the cosmic 
microwave background (CMB). Segal predicts an angular size distance 

D_A(z) = X/theta = R*sin(chi) = 2*R*sqrt(z)/(1+z),

where X is the physical size of an object, theta is the apparent angular 
size, [I will assume that theta << 1 radian and approximate sin and tan of 
theta] chi is an angle measuring distance around the spherical geometry of 
the chronometric cosmology, and R is the physical radius of the Universe in 
the chronometric model. The redshift is given by 

z = tan^2(chi/2)

and the luminosity distance is given by 

D_L(z) = sqrt[L(bol)/(4*pi*F(bol))] = sqrt(1+z)*D_A(z) = 2*R*sqrt(z/(1+z)).

Note that bolometric fluxes are integrated over all frequencies and have 
units of Watts/meter^2, and L(bol) is the total luminosity with units of 
Watts. 

Now a blackbody (any opaque isothermal object) with temperature T and radius 
X has a luminosity L(bol) = 4*pi*X^2*sigma*T^4 where sigma is the 
Stefan-Boltzmann constant. The peak frequency of the spectrum is f(pk) = 
A*T/h, where A is close to 2.82 times Boltzmann's constant and h is Planck's 
constant. For a nearby source (z << 1), the relationship between the flux 
F(bol), angular radius theta, and temperature T is 

F(bol) = L(bol)/(4*pi*D^2) = [4*pi*X^2*sigma*T^4]/(4*pi*D^2)
       = theta^2*sigma*T^4 = theta^2*sigma*[h*f(pk)/A]^4

The observed quantities F(bol), f(pk) and theta have to satisfy this 
relationship for an object to appear to be a blackbody. Now consider a 
distant blackbody with redshift z. The peak frequency is shifted to 

f(pk) = (A*T/h)/(1+z), and 

F(bol) = L(bol)/(4*pi*D_L(z)^2) = [4*pi*X^2*sigma*T^4]/(4*pi*D_L(z)^2)
       = theta^2 * [D_A(z)/D_L(z)]^2 * sigma * (1+z)^4 * [h*f(pk)/A]^4

In all respectable cosmological models, D_L(z) = (1+z)^2*D_A(z) so a 
redshifted blackbody looks like a blackbody. In Segal's chronometric 
cosmology, this is NOT true, D_L(z) = sqrt(1+z)*D_A(z), and 

F(bol) = (1+z)^3 * theta^2*sigma*[h*f(pk)/A]^4

Thus by observing F(bol), f(pk) and theta for the cosmic microwave background 
one can determine the redshift at which the Universe becomes opaque. The 
FIRAS instrument on COBE adjusted the temperature of its calibrator (a local 
blackbody) so its f(pk) exactly matched the f(pk) of the CMB from the sky. It 
then removed the calibrator from the horn and looked at the sky to see if 
F(bol) changed. The change was a factor of 1.00001 +/- 0.00005 (Fixsen etal 
1996, ApJ submitted): in other words, NO change was seen, and an upper limit 
on the redshift at which the Universe is opaque is (1+z)^3 < 1.00001 + 
3*0.00005, so z < 0.00005. Since quasars are observed at millimeter 
wavelengths (same as f(pk) for the CMB) out to z = 4.7, the chronometric 
cosmology FAILS the CMB test. 

Note that Segal will always try to wiggle out of the CMB problem by stating 
that any theory that maximizes entropy while conserving energy will give a 
Planck function. But maximizing the entropy requires interactions to scatter 
photons giving isotropy and to absorb and re-emit photons, giving a Planck 
function once everything is isothermal. But these interactions don't occur in 
a vacuum - the "grain of sand" in the blackbody cavity is needed. We know the 
local region of the Universe (out to z = 4.7) is transparent and won't serve 
to create a blackbody. Since Segal's theory is static and homogeneous, there 
is no place and no time in the Universe that could have produced a blackbody. 
In Segal's book he assumes that the antipode (z = infinity) is the place 
where photon directions and energies are mixed up, but he forgets that 
everybody is somebody's antipode, so we should see this mixing locally. He 
also calculates a CMB energy density that is 100 times too large but doesn't 
care about this discrepancy. What I have shown above is that even if there 
were a place to make the blackbody, the CMB would still disagree with the 
COBE data unless that place were closer than z = 0.00005. 

However, the chronometric model is not the only incorrect CMB theory from 
Segal. Let me quote from p. 117 of the proceedings of IAU Symposium 104, 
"Early Evolution of the Universe and its Present Structure", G. O. Abell and 
G. Chincarini eds., (c) 1983 (Dordrecht: Reidel), a discussion after papers 
presented by myself and Rowan-Robinson: 

Segal - "The cosmic background radiation is, of course, not uniquely 
indicative of a Big Bang, but a Planck law for the background photons is 
implied by any temporally homogeneous theory in which the energy is modelled, 
as usual, by the infinitesimal time evolution generator. A very simply 
quasiphenomenological explanation of the Woody- Richard anomaly is a 
postulated non-vanishing isotropic angular momentum for the CBR in, for 
example, the vicinity of the Local Group. This provides a very good fit to 
their data, depends only on a single contemporary parameter rather than by 
hypothetical events at redshifts such as 200 or 1000, and automatically 
displaces the pure black-body law in the observed direction, rather than the 
opposite direction, as early discussion of perturbations of a Big Bang 
predicted. Therefore, isn't this scientifically more economical and in 
principle empirically accessible explanation of the Woody-Richards anomaly 
more natural than those presented that require a complete scenario hardly 
capable, in principle, of independent substantiation?" 

Wright - "The Jakobsen, Kon and Segal model (1979, Physical Review Letters, 
42, 1788, hereafter JKS) of the Woody and Richards (WR) spectrum has two 
basic flaws. The first flaw is that it does not fit the data if the low 
frequency results are included. The Planck brightness temperature of the JKS 
model is a nonincreasing function of the frequency, while the observed data 
rises from 2.7 K at low frequencies to 3.0 K at the peak, then falls to 2.8 K 
on the high frequency side of the peak. The JKS model matches the WR spectrum 
at the peak and higher frequencies, but predicts 3.4 K at low frequencies 
(see accompanying figure.) 

The second flaw in the JKS model is that the predicted background is 
inhomogeneous and anisotropic (Wright, 1980, Physical Review D, 22, 2361). 
The local perturbation just proposed by Segal is also manifestly 
inhomogeneous. An inhomogeneous background violates the cosmological 
principle, and is thus incompatible with all modern cosmological models, 
including the chronometric cosmology of Segal." 


This figure shows the JKS model fitting the Woody-Richards data (closed 
points) but missing the ground-based data (open points). The Woody-Richards 
distortion in the CMB was shown to be incorrect years before COBE was 
launched. The COBE spectrum is shown by the horizontal line, with the +/- 2 
sigma uncertainty in the COBE data indicated by the width of the line. Click 
here for a GIF version of the figure or here for a Postscript version. 

This story indicates a number of factors. One is that Segal always takes a 
very complicated approach. The other is that he is satisfied to fit a small 
part of the data, and then does not check to see that his model is consistent 
with all of the data. 

II. Source Counts 
When counting sources down to a flux limit S, one expects to see to a 
distance proportional to 1/sqrt(S), and hence to see a volume proportional to 
1/S^1.5. Thus the number of sources brighter than a flux limit S, N(>S), 
should follow the law N(>S) = const/S^1.5 in Euclidean space. But the 
observed radio source and quasar counts are steeper than this law for medium 
to large S, giving an excess of moderately faint sources compared to the 
number of bright sources. In Segal's book, he notes that the flux per unit 
frequency for a source with luminosity per unit frequency L(nu) = C/nu^a is 
given by 

F(nu) = [L(nu)*(1+z)^{2-a}]/[16*pi*R^2*z]

This flux reaches a minimum value for z = 1/(1-a) when a is less than 1 as it 
usually is for radio sources. There is an excess of sources at fluxes close 
to the minimum flux, and Segal used this mechanism to make a qualitative 
explanation for the radio source counts. 

Wright (1987, ApJ, 313, 551) did the calculations to see whether a 
quantitative fit to the source counts was possible, and found that it was 
impossible to make a statistically acceptable fit to the source counts in the 
chronometric cosmology. Wright introduced a source count excess ratio 

E(S1,S2) = (S1/S2)^{1.5} N(> S1)/N(> S2)    for S1 < S2

and showed that E < 3*pi/2 in the chronometric cosmology, while the observed 
quasar counts had E > 17. Thus while Segal can produce a small excess of 
faint sources, he can not produce an excess that is as large as the observed 
excess. 

In Segal's reply to this paper (1987, ApJ, 320, 135) he claimed that E could 
go to infinity in the chronometric cosmology in the limit S2 goes to zero. 
But since the flux S1 is positive, the limit S2 goes to zero violates the 
condition S1 < S2. It is sad to see that a math professor at MIT could have 
forgotten how to manipulate inequalities. I pointed out this error to Segal 
before his paper was published, but he went ahead and published his incorrect 
results. 

III. Redshift-magnitude 
The most unusual prediction made by Segal is that the redshift is a quadratic 
function of the distance, instead of the linear Hubble law. For z << 1 Segal 
then predicts that the flux should follow F = const/z, and since magnitudes 
are defined as m=Const-2.5*log(F), Segal predicts that m = 2.5*log(z) + M, 
where M is the absolute magnitude defined with a standard distance at z=1 
instead of 10 pc. The Hubble law predicts that m = 5*log(z) + M. Soneira 
(1979, ApJL, 230, L63) made a test of this prediction using the average 
redshift of galaxies in magnitude bins, which I will denote as <z|m> for the 
mean redshift at a given magnitude. Soneira found m = 5*log(<z|m>) + CONST, 
so Hubble was right. Segal, however, likes to use the mean magnitude in a 
redshift bin, <m|z>, and finds that <m|z> = 2.5*log(z) + CONST. How can this 
be? It turns out that the mean magnitude in a redshift bin is strongly biased 
by the fact that galaxy samples are flux-limited. Galaxies are not all the 
same brightness, and in fact very faint dwarf galaxies are much more common 
than luminous galaxies like M31. In the observed samples, the very faint 
galaxies (large m) are missing, and thus <m|z> is biased downward. To study 
this bias one needs to know the relative number of faint versus luminous 
galaxies, known as the luminosity function. Schechter (1976, ApJ, 203, 297) 
found a luminosity function n(M) = const*10^{0.1*M}/exp(10^{0.4*(Ms-M)}) 
galaxies per unit volume per magnitude, using both field galaxies (assuming 
the Hubble law) and clusters of galaxies where no assumption about the 
redshift-magnitude law is needed. Other workers have found n(M) = 
const/exp(10^{0.4*(Ms-M)}) is a better fit. Approximate this as n(M) = const 
for M > Ms, and zero for M < Ms. Then the redshift-magnitude diagram will be 
populated with a density of galaxies proportional to z^2*dz for bright(z) < m 
< faint, where bright(z) = Ms + 5*log(z), and faint is the magnitude limit. 
In defining bright(z) I have assumed the Hubble law is correct. I can now 
easily find that <m|z> = (bright(z) + faint)/2 = 2.5*log(z) + (Ms+faint)/2. 
Thus Segal's analysis technique will bias the results to fit his theory. On 
the other hand Soneira's technique using <z|m> gives <z|m> = 
0.75*10^{0.2*(m-Ms)}, so 5*log(<z|m>) = m + const. Segal has since introduced 
a new statistical technique that he calls ROBUST, but since the original 
claim of a quadratic redshift-distance law was due to a biased statistical 
technique, any method that agrees with the original biased analysis is also 
flawed. 

I am fairly sure that the problem with ROBUST is caused by a gradual loss of 
completeness as the catalog limit is approached, but why should I bother to 
work this out? Segal is wrong on the CMB, wrong on the source counts, and 
wrong on the redshift-magnitude law. Three strikes and you're out is the 
popular criminal law these days, but in science it has always been ONE strike 
and you're out. That's why theorists invented free parameters, but the 
chronometric theory doesn't have any parameters except for the scale factor, 
so it makes very definite predictions which are WRONG. 

 
This figure shows the <m|z>, <z|m> and all of the magnitudes and redshifts 
for four samples of galaxies: Sandage and Visvanathan (1978, ApJ, 223, 707), 
Kirshner, Oemler and Schechter (1978, AJ, 83, 1549), the galaxies NOT 
associated with quasars in Stockton (1978, ApJ, 223, 747), and Koo (1982, in 
the proceedings of IAU Symposium 104). The three panels from top to bottom 
show all the galaxies, <z|m>, and <m|z>. Note that Segal's law definitely 
fits <m|z> for a SINGLE sample better than the Hubble law does, but different 
zero points are needed for each sample. This is expected because the 
different samples had different limiting magnitudes, and the bias in <m|z> 
depends on the flux limit. On the other hand, the Hubble law with a single 
zero point fits all the <z|m> points well, and even gives a better overall 
fit to <m|z> when all the samples are fitted simultaneously. Click here for 
the GIF version of the figure or here for Postscript version. 

Noted netizen John Baez offers these memories of Irving Segal, his thesis 
advisor. 


Back to Ned Wright's home page 

Tutorial: Part 1 | Part 2 | Part 3 | Part 4 
FAQ | Age | Distances | Bibliography | Relativity 

ⓒ 1996-1999 Edward L. Wright. Last modified 15-Sep-1999
http://www.astro.ucla.edu/~wright/segal_errors.html
 
[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글 목록][이 전][다 음]
키 즈 는 열 린 사 람 들 의 모 임 입 니 다.