[論文レビュー] Bias on w from large-scale structure

Valerio Marra, M. Pääkkönen+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、局所的な非一様性が密度対比約0.1である場合、wの測定値が95%信頼水準で真空中の定数からずれる可能性があることを示している。圧力のない物質と定数w、無視できる音速を有するダークエネルギーを含む球対称で正確な解を用いたモデルは、局所的膨張率、超新星、CMBデータに適合し、正確な宇宙論において大規模構造の効果を考慮する必要があることを示している。

ABSTRACT

We find that if we live at the center of an inhomogeneity with density contrast of roughly 0.1, dark energy is not a cosmological constant at 95% confidence level. Observational constraints on the equation of state of dark energy, w, depend strongly on the local matter density around the observer. We model the local inhomogeneity with an exact spherically symmetric solution which features a pressureless matter component and a dark-energy fluid with constant equation of state and negligible sound speed, that reaches a homogeneous solution at finite radius. We fit this model to observations of the local expansion rate, distant supernovae and the cosmic microwave background. We conclude that the possible bias from large-scale structure has to be taken into account if one wants to progress towards not just precision but also accurate cosmology.

研究の動機と目的

• 局所的な物質密度の非一様性が、ダークエネルギーの状態方程式wの観測的制約に与える影響を調査すること。
• 局所的な密度対比を考慮した場合、ダークエネルギーに真空中の定数仮定が依然として妥当であるかどうかを評価すること。
• 定数wと無視できる音速を有するダークエネルギーを含む、球対称で正確な非一様宇宙論モデルの構築と検証。
• 局所的非一様性を考慮した上で、局所的ハッブル定数、Ia型超新星、宇宙マイクロ波背景放射の観測データへのモデル適合。
• 大規模構造の効果を無視することで、宇宙論的パラメータ推定に系統的バイアスが生じるかどうかを特定すること。

提案手法

• 圧力のない物質成分と定数w、無視できる音速を有するダークエネルギー流体を有する、正確な球対称解を用いて局所的非一様性をモデル化する。
• 有限の半径で均一状態に漸近するように解を保証し、大規模構造観測と整合性を保つ。
• 観測データ（局所的ハッブル定数測定値、遠方Ia型超新星の等価距離、宇宙マイクロ波背景放射の非一様性スペクトル）にモデルを適合させる。
• ベイズ推論を用いて非一様モデルと標準のΛCDMを比較し、wの乖離の有意性を評価する。
• 局所的物質密度対比（約0.1）が推定されるwの値および信頼区間に与える影響を定量化する。
• 観測されたwの測定値の不一致が、新物理ではなく局所的非一様性によって説明可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度対比が約0.1の局所的物質過剰が、ダークエネルギーの状態方程式wの推定値にどの程度バイアスをもたらすか？
• RQ2 定数wと無視できる音速を有する球対称非一様モデルが、局所的膨張率、超新星、CMB観測を再現できるか？
• RQ3 局所的非一様性を組み込むことで、観測されたwと真空中の定数（w = -1）との間の不一致が95%信頼水準で軽減されるか？
• RQ4 宇宙論的パラメータ推定において大規模構造の効果を無視した場合、wにおける系統的誤差はどの程度顕著か？
• RQ5 密度対比が約0.1の局所的非一様性が存在する状況で、wが-1からどの程度ずれるかの信頼水準は何か？

主な発見

• 密度対比が約0.1の局所的非一様性は、95%信頼水準でwが-1からずれる。
• 球対称で正確な解を用いた非一様物質およびダークエネルギーのモデルは、局所的ハッブル定数、超新星、CMBの観測データに適合している。
• 宇宙論的制約において局所的物質密度を考慮しないと、ダークエネルギーの状態方程式wが顕著にバイアスを受ける。
• 本研究は、正確な宇宙論を達成するには、精度を超えて大規模構造の効果を組み込む必要があることを示している。
• 局所的非一様性をモデル化すると、w ≠ -1の信頼水準が上昇し、標準的手法における系統的バイアスが顕在化する。
• ダークエネルギー流体の無視できる音速は、非一様性境界でのモデルの安定性と物理的妥当性を保証している。