[論文レビュー] Cosmic structure, averaging and dark energy

David L. Wiltshire|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、宇宙定数ではなく、不均一な膨張および空間的曲率に起因する重力的エネルギー勾配によってダークエネルギーが生じる、現象的に妥当な代替案としてタイムスケープ状況を提唱する。Hubble膨張がCMBフレームよりもローカルグループ（LG）フレームでより一様であることが示され、標準モデルのダークエネルギーおよび宇宙フレームに関する仮定に疑問を呈する、再定義された宇宙静止フレームを支持する。

ABSTRACT

These lecture notes review the theoretical problems associated with coarse-graining the observed inhomogeneous structure of the universe at late epochs, of describing average cosmic evolution in the presence of growing inhomogeneity, and of relating average quantities to physical observables. In particular, a detailed discussion of the timescape scenario is presented. In this scenario, dark energy is realized as a misidentification of gravitational energy gradients which result from gradients in the kinetic energy of expansion of space, in the presence of density and spatial curvature gradients that grow large with the growth of structure. The phenomenology and observational tests of the timescape model are discussed in detail, with updated constraints from Planck satellite data. In addition, recent results on the variation of the Hubble expansion on < 100/h Mpc scales are discussed. The spherically averaged Hubble law is significantly more uniform in the rest frame of the Local Group of galaxies than in the conventional rest frame assumed for the Cosmic Microwave Background. This unexpected result supports a fundamental revision of the notion of the cosmic rest frame, consistent with the expectations of the timescape scenario.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論における不均一な宇宙構造の粗粒度化の基礎的問題に取り組む。
• 宇宙静止フレームがCMBによって定義されるという標準的仮定に挑戦し、ローカルグループのような束縛系に結びついたフレームを提唱する。
• 観測された宇宙の加速が、ダークエネルギーを導入せずに不均一な時空幾何学の平均化によって説明可能かどうかを検証する。
• バッハァート平均化スキームの物理的に一貫した解釈を構築し、滑らかなダークエネルギー成分を導入しないようにする。

提案手法

• 不均一な宇宙論の有効平均方程式を導出するためにバッハァート平均化形式を用いる。
• タイムスケープ状況を適用し、空間的曲率と運動エネルギー勾配が異なる不均一で不均一に膨張する領域のネットワークとして宇宙をモデル化する。
• CMBフレーム、ローカルグループ（LG）フレーム、およびローカル標準（LS）フレームの3つの静止フレームにおけるHubble膨張率を分析し、フレーム依存性を検証する。
• プランク衛星データを用いてタイムスケープモデルを制約し、特にCMBダイポールおよび大規模スケールのパワー非対称性に注目する。
• CMBダイポールの運動論的起源を、さまざまなフレームにおける歪みとドップラー効果の予測と照合することで検証する。
• 100 h⁻¹ Mpc未満のスケールにおけるHubble膨張変動のモデルに依存しない分析を実施し、タイムスケープ状況との整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙の加速は、ダークエネルギーを導入せずに不均一な時空幾何学の平均化によって説明可能か？
• RQ2 宇宙静止フレームはCMBによって定義されるのが最適か、それともローカルグループのような束縛系の力学によって定義されるのが最適か？
• RQ3 CMBダイポール異常および大規模スケールのパワー非対称性は、ダイポールの運動論的寄与以外の要因によってどの程度説明可能か？
• RQ4 Hubble膨張率は異なる静止フレームでどのように変化するのか？ これは標準的宇宙論モデルにどのような含意をもたらすか？
• RQ5 タイムスケープ状況は、ダークエネルギーを必要とせず、プランクからの主要な観測制約を再現可能か？

主な発見

• 球対称平均化されたHubble則は、CMBフレームよりもローカルグループ静止フレームで著しく一様である。これは、CMBフレームを宇宙静止フレームと仮定するという前提に根本的な問題があることを示唆する。
• Hubble膨張変動における観測されたダイポールは、ローカルグループフレームで得られたHubbleばらつきダイポールの方向と一致しており、タイムスケープモデルがダイポールの運動論的起源でないことを支持する。
• CMBダイポール異常および大規模スケールのパワー非対称性は、1〜2％の運動論的でないダイポール寄与によって説明可能であり、観測的に妥当かつタイムスケープ状況と整合的である。
• 特にCMB多重極およびダイポール構造に関して、更新されたプランク衛星データの制約下でも、タイムスケープモデルは観測的に妥当なままである。
• 宇宙電波銀河のダイポールが完全に運動論的であるという仮定は、99.5％信頼水準でデータと整合しない。これは、さらにタイムスケープモデルの予測を支持する。
• 100 h⁻¹ Mpc未満のスケールにおけるHubble膨張変動のモデルに依存しない分析は、タイムスケープ状況との整合性が、標準のΛCDMモデルよりも顕著に強いことを示している。