[論文レビュー] Drift of Light Rays Induced by Nonsymmetric Cosmic Flow: an observational test of homogeneity of the Universe + a few general comments on inhomogeneous models

Andrzej Krasiński, Krzysztof Bolejko|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、非一様な宇宙論的モデル—特にSzekeresモデルおよびLemaître–Tolmanモデル—における非対称な宇宙的流れが、天の川上を横切る光線のずれを引き起こす可能性を提案している。そのずれの大きさは最大で1年あたり10⁻⁶アーキセコンドに達し、今後の観測機器を用いて約10年間の観測で検出可能である。この効果は一様なFLRWモデルでは消えるため、宇宙の非一様性を直接的に検証する観測的テストを提供する。

ABSTRACT

After introducing the Szekeres and Lema\^itre--Tolman cosmological models, the real-time cosmology program is briefly mentioned. Then, a few widespread misconceptions about the cosmological models are pointed out and corrected. Investigation of null geodesic equations in the Szekeres models shows that observers in favourable positions would see galaxies drift across the sky at a rate of up to $10^{-6}$ arc seconds per year. Such a drift would be possible to measure using devices that are under construction; the required time of monitoring would be $\approx10$ years. This effect is zero in the FLRW models, so it provides a measure of inhomogeneity of the Universe. In the Szekeres models, the condition for zero drift is zero shear. But in the shearfree normal models, the condition for zero drift is that, in the comoving coordinates, the time dependence of the metric completely factors out.

研究の動機と目的

• 宇宙論的モデルに関する広く見られる誤解、特に非一様性と対称性に関する誤解を特定し是正すること。
• 非一様モデルにおける非対称な宇宙的流れが、光線の軌道に観測可能な効果をもたらすかどうかを調査すること。
• 測定可能な光線のずれに基づいた、宇宙の一様性に関する明確な観測的テストを提唱すること。
• 剪断なし正規モデルおよびSzekeresモデルにおいて光線のずれが消える条件を明確にすること。

提案手法

• Szekeres宇宙論的モデルにおける光線の測地線方程式の解析により、観測者が測定する光線の角度のずれを計算すること。
• Szekeresモデルにおける光線のずれがゼロとなる条件を導出し、それがゼロの剪断に等しいことを示すこと。
• Lemaître–Tolmanモデルとの比較を通じて、ずれ効果の整合性と一般性を評価すること。
• 剪断なし正規モデルにおけるずれがゼロとなる条件の特定：共動座標系における計量の時間依存性が完全に分解可能であること。
• 今後の観測機器を用いたずれ効果の検出可能性の評価（約10年間の観測期間を想定）。
• リアルタイム宇宙論プログラムの概念を用いて、ずれを宇宙の非一様性のプローブとして物理的に解釈することを枠組みづけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非一様な宇宙論的モデルにおける非対称な宇宙的流れは、遠方銀河の見かけの位置に測定可能なずれを引き起こすか？
• RQ2 現実的な観測条件下でのSzekeresモデルにおける光線のずれの大きさと検出可能性は何か？
• RQ3 なぜFLRWモデルでは光線のずれが消えるのか？そしてこれは一様な宇宙と非一様な宇宙をどのように区別するか？
• RQ4 剪断なし正規モデルにおける光線のずれがゼロとなる正確な数学的条件は何か？Szekeresの場合とはどのように異なるか？
• RQ5 このずれ効果は、宇宙の一様性を直接的に検証する観測的テストとして機能できるか？

主な発見

• Szekeresモデルにおいて、有利な位置にいる観測者は、非対称な宇宙的流れのため、最大で1年あたり10⁻⁶アーキセコンドの光線のずれを測定する。
• このずれ効果はFLRWモデルには存在しないため、宇宙の非一様性の特徴的な指標である。
• Szekeresモデルにおいて、ずれが正確にゼロになるのは剪断テンソルがゼロのときであり、幾何学的剪断と観測可能なずれとの直接的な関係を確立する。
• 剪断なし正規モデルでは、ずれがゼロとなる条件は、共動座標系における計量の時間依存性が完全に分解可能であることである。
• このずれ効果は、今後の観測機器を用いて約10年間の観測期間で実際に検出可能である可能性がある。
• 本研究は、特に対称性と剪断が光の伝播に果たす役割に関する、一般的な誤解を是正している。