[論文レビュー] Constraints on large scale voids from WMAP-5 and SDSS

Paul M. Hunt, S. Sarkar|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、ダークエネルギーを必要とせず、地球に近い大規模な低密度空洞が宇宙の加速を説明できるかどうかを検討している。WMAP-5 CMBデータとSDSS銀河クラスタリングを用いて分析した結果、非標準的な仮定のもとではこのような空洞がデータに適合するが、初期フラクチュエーションがガウス分布であると仮定すると、それらは統計的に不確かであり、共通のΛCDMモデルに疑問を呈する。一方で、観測された空洞や高い特異速度が存在するにもかかわらず、そのようなモデルは成立しない。

ABSTRACT

Measurements of the SNe Ia Hubble diagram which suggest that the universe is accelerating due to the effect of dark energy may be biased because we are located in a 200-300 Mpc underdense which is expanding 20-30% faster than the average rate. With the smaller global Hubble parameter, the WMAP-5 data on cosmic microwave background anisotropies can be fitted without requiring dark energy if there is some excess power in the spectrum of primordial perturbations on 100 Mpc scales. The SDSS data on galaxy clustering can also be fitted if there is a small component of hot dark matter in the form of 0.5 eV mass neutrinos. We show however that if the primordial fluctuations are gaussian, the expected variance of the Hubble parameter and the matter density are far too small to allow such a large local void. Nevertheless many such large voids have been identified in the SDSS LRG survey in a search for the late-ISW effect due to dark energy. The observed CMB temperature decrements imply that they are nearly empty, thus these real voids too are in gross conflict with the concordance LCDM model. The recently observed high peculiar velocity flow presents another challenge for the model. Therefore whether a large local void actually exists must be tested through observations and cannot be dismissed a priori.

研究の動機と目的

• 地球に近い大規模な低密度空洞が、ダークエネルギーを仮定せずに観測された宇宙の加速を説明できるかどうかを検証すること。
• WMAP-5 CMB異方性データとSDSS銀河クラスタリングデータが、修正された初期スペクトルと高温の暗黒物質を仮定した空洞モデルで適合できるかどうかを評価すること。
• 初期フラクチュエーションがガウス分布であると仮定した場合に、このような空洞が統計的に妥当であるかどうかを評価すること。
• 観測された大規模空洞と高い特異速度の流れを、標準的なΛCDMモデルと調和させること。

提案手法

• 100 Mpcスケールでの初期摂動に余剰なパワーがあると仮定し、WMAP-5宇宙マイクロ波背景（CMB）異方性データを分析して、ダークエネルギーなしでの適合性を検証する。
• SDSSの明るい赤銀河（LRG）クラスタリングデータを用い、0.5 eVの質量を持つニュートリノを高温の暗黒物質として含む空洞モデルとの整合性を検証する。
• ガウス確率的場におけるハッブル定数と物質密度の期待される分散を評価し、200–300 Mpcスケールの低密度空洞が20–30%の高速膨張を示す可能性があるかどうかを検討する。
• 理論的予測としての空洞に起因するハッブル定数の変動を、CMB温度低下と特異速度の流れからの観測的制約と比較する。
• 観測されたSDSS LRG調査における空洞が、初期条件がガウス分布であると仮定した場合に一致するかどうかを統計的検定を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WMAP-5 CMBデータを用いて、ダークエネルギーを必要とせず、観測された宇宙の加速を大規模な局所的空洞で説明できるか？
• RQ2 SDSS銀河クラスタリングデータは、小さな高温の暗黒物質成分（特に0.5 eVの質量を持つニュートリノ）を含む空洞モデルでどの程度適合できるか？
• RQ3 初期フラクチュエーションがガウス分布であると仮定した場合、200–300 Mpcスケールの低密度空洞がどれほど確率的であるか？
• RQ4 観測されたCMB温度低下が空洞と関連している場合、それらはΛCDMモデルの予測と整合的か？
• RQ5 高い特異速度の流れが標準的なΛCDM宇宙論に挑戦しており、それらは局所的な空洞によって説明できるか？

主な発見

• 100 Mpcスケールでの初期摂動に余剰なパワーがあるならば、WMAP-5 CMBデータはダークエネルギーなしでも適合可能である。
• SDSS銀河クラスタリングデータは、空洞モデルに0.5 eVの質量を持つニュートリノという小さな高温の暗黒物質成分を含めることで適合可能である。
• 初期フラクチュエーションがガウス分布であると仮定した場合、ハッブル定数と物質密度の期待される分散は、200–300 Mpcスケールで20–30%の高速膨張を示す空洞を許容するには小さすぎる。
• SDSS LRG調査で観測された大規模空洞（ほぼ空で、CMB温度低下を引き起こす）は、ΛCDMモデルと著しく矛盾している。
• 宇宙における高い特異速度の流れは、標準モデルをさらに挑戦しており、大規模な局所的空洞の存在は事前に除外されるべきではなく、観測的検証が求められるべきである。