[論文レビュー] Comment on "A Supervoid Imprinting the Cold Spot in the Cosmic Microwave Background"

J. P. Zibin|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、Finelliらが提唱した『z ≈ 0.16 のスーパーボイドが非線形 Rees-Sciama 効果によって CMB の冷いスポットを説明できる』という主張に挑戦する。Planck の最良適合パラメータを用いた完全な非線形 $Λ$LTB モデルを用いて、著者は線形化された Integrated Sachs-Wolfe (ISW) 効果が支配的であり、わずか $-25\,\mu\text{K}$ の減衰を生じることを示している。これは観測された $-150\,\mu\text{K}$ の冷いスポットコアとは著しく弱く、大部分の非一様性は他の場所に起因する必要があることを示唆している。

ABSTRACT

Recently Finelli et al. [http://arxiv.org/abs/1405.1555] found evidence for a relatively nearby (z = 0.16) void in a galaxy catalogue in the direction of the cosmic microwave background (CMB) Cold Spot. Using a perturbative calculation, they also claimed that such a void would produce a CMB decrement comparable to that of the observed Cold Spot, mainly via the nonlinear Rees-Sciama effect. Here I calculate the effect of such a void using a fully general relativistic model and show that, to the contrary, the linear integrated Sachs-Wolfe effect dominates and produces a substantially weaker decrement than observed.

研究の動機と目的

• Finelli らが主張する『z ≈ 0.16 のスーパーボイドが非線形 Rees-Sciama 効果によって CMB の冷いスポットを説明できるか』を検証すること。
• 先行研究で用いられた摂動計算の妥当性を、完全な一般相対論的・非線形 $Λ$LTB モデルと比較することで評価すること。
• 観測されたサイズと深さを持つボイドに対して、線形 ISW 効果と非線形 Rees-Sciama 効果の相対的寄与を特定すること。
• ボイド誘発 CMB 非一様性をモデル化する際、摂動計算と真の $Λ$LTB 解との違いを明確にすること。

提案手法

• ダストと $\Lambda$ を源とする完全な非線形球対称 $\Lambda$-Lemaître-Tolman-Bondi (\Lambda LTB) 時空を用いてボイドをモデル化する。
• FGKPS の最良適合パラメータに一致するようにボイドプロファイルを固定：$r_0 h = 195\,\text{Mpc}$, $\delta_0 = 0.25$, $z_0 = 0.155$。
• 観測者から最後散乱面までの光線追跡によるゼロ測地線の追跡を用いて、$\Lambda$ LTB 時空内での正確な CMB 非一様性を計算する。
• 式 (13) を用いて、ISW 項と局所的ダイポール項に分離した線形化近似と、正確な非線形結果を比較する。
• 非線形 Rees-Sciama 効果を分離するために、より深く遠くのボイド（10倍の振幅、$z_0 = 1$）を用いた感度テストを実施する。
• Planck の最良適合 $\Lambda$CDM パラメータを用い、線形化された計量摂動 $\psi_q$ と成長抑制係数 $g(t)$ との整合性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 0.16 のスーパーボイドが、非線形 Rees-Sciama 効果によって冷いスポットと同等の CMB 減衰を生じさせられるか？
• RQ2 非線形 $\Lambda$LTB モデルは、Finelli らが用いた摂動的アプローチと比較して、CMB 非一様性をどのように予測するか？
• RQ3 観測されたサイズと深さを持つボイドに対して、$\Lambda$CDM 宇宙論内では、線形化された Integrated Sachs-Wolfe 効果と非線形 Rees-Sciama 効果のどちらが支配的か？
• RQ4 完全な非線形解では、摂動的推定値と比較して Rees-Sciama 効果が抑制されるか？もしそうなら、その程度はどの程度か？

主な発見

• FGKPS の最良適合ボイドに対して、完全な $\Lambda$LTB モデルにおいて線形化された Integrated Sachs-Wolfe (ISW) 効果が非線形 Rees-Sciama (RS) 効果を上回る。
• ISW 効果による中心的 CMB 温度減衰は約 $-25\,\mu\text{K}$ であり、摂動的 RS 計算が予測する $-158\,\mu\text{K}$ よりも著しく弱い。
• 正確な $\Lambda$LTB 計算と線形化近似（式 13）の結果はほとんど完全に一致しており、このボイドでは非線形 RS 効果が劣勢であることが示唆される。
• 観測者位置での局所的ダイポール寄与（バルクフローに起因）が非一様性を支配しているが、これは冷いスポットの大規模構造を説明するには不十分である。
• より深く遠くのボイド（10倍の振幅、$z_0 = 1$）に対しても、ISW 効果が依然として支配的であり、$\Lambda$CDM 内で RS 効果が抑制されることを確認した。
• 観測された冷いスポットの振幅（$\sim -150\,\mu\text{K}$）はボイドだけでは説明できず、追加の非一様性源が必要であることが示された。