[論文レビュー] Galaxy number-count dipole and superhorizon fluctuations

Guillem Domènech, Roya Mohayaee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 100被引用数 31

ひとこと要約

この論文は、超水平超初期摂動（特に等曲率モード）が、宇宙背景放射（CMB）のダイポールと銀河数密度ダイポールの間の観測された緊張を説明できるかどうかを調査している。アディアバティックおよび等曲率の超水平モードは、内在的な数密度ダイポールを生成しないが、等曲率モードはCMBと物質フレーム間の相対速度を引き起こし、ダイポール緊張の運動的起源を可能にする。このモデルは、将来の調査で検出可能な銀河数密度四重極モーメントを予測しており、テスト可能なシグネチャーを提供する。

ABSTRACT

In view of the growing tension between the dipole anisotropy of number counts of cosmologically distant sources and of the cosmic microwave background (CMB), we investigate the number count dipole induced by primordial perturbations with wavelength comparable to or exceeding the Hubble radius today. First, we find that neither adiabatic nor isocurvature superhorizon modes can generate an intrinsic number count dipole. However a superhorizon isocurvature mode does induce a relative velocity between the CMB and the (dark) matter rest frames and thereby affects the CMB dipole. We revisit the possibility that it has an intrinsic component due to such a mode, thus enabling consistency with the galaxy number count dipole if the latter is actually kinematic in origin. Although this scenario is not particularly natural, there are possible links with other anomalies and it predicts a concommitant galaxy number count quadrupole which may be measurable in future surveys. We also investigate the number count dipole induced by modes smaller than the Hubble radius, finding that subject to CMB constraints this is too small to reconcile the dipole tension.

研究の動機と目的

• 超水平初期摂動が、CMBダイポールと銀河数密度ダイポールの間の増大する緊張を解消できるかどうかをテストすること。
• アディアバティックモードとは異なり、等曲率モードがCMBと物質の静止フレーム間の相対速度を引き起こすかどうかを評価すること。
• このようなモードが観測と整合的な内在的な数密度ダイポールを生成できるかどうかを評価すること。
• CMB制約下でのこのシナリオの妥当性と、宇宙論的原理の破れへの影響を検討すること。
• 将来の大規模調査で検出可能な、付随する数密度四重極モーメントシグネチャーを予測すること。

提案手法

• 観測者における単極およびダイポール項を完全に含めた、Kasai & Sasaki (1989) の枠組みを拡張した、共変な相対論的形式を用いて銀河数密度の揺らぎを導出する。
• 宇宙論的摂動理論を用いて、超水平アディアバティックおよび寒冷ダークマター（CDM）等曲率モードがCMBおよび銀河数密度に与える影響を計算する。
• ゲージ不変形式を用いて、超水平モードが引き起こす数密度ダイポールを計算し、運動的寄与と内在的寄与を区別する。
• 現在のCMB制約（Planck 2018）の下でダイポール振幅を評価し、部分的水平モードがダイポール緊張を解消できるかどうかをテストする。
• 脱結合時に超水平であったが、現在は部分的水平となったモードの影響を分析し、数密度ダイポールへの寄与を評価する。
• 等曲率モードが引き起こす予測される数密度四重極モーメントシグネチャーを導出し、将来の調査におけるテスト可能なシグネチャーとして提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超水平等曲率モードは、観測されたダイポール緊張を解消する内在的な数密度ダイポールを生成できるか？
• RQ2 アディアバティックまたは等曲率の超水平モードは、CMBと物質の静止フレーム間の相対速度を引き起こすか？その影響がCMBダイポールに及ぶか？
• RQ3 CMBダイポールが等曲率モードによる内在的成分を有する場合、観測された銀河数密度ダイポールが運動的起源であると整合するか？
• RQ4 脱結合時に超水平であったが現在は部分的水平となったモードが引き起こす数密度ダイポールの振幅は、現在のCMB制約下でどの程度か？
• RQ5 等曲率モードが引き起こす予測される数密度四重極モーメントは、将来の大規模調査で検出可能か？

主な発見

• アディアバティックおよび等曲率の超水平モードは、いずれも内在的な数密度ダイポールを生成しない。これは、このようなモードが銀河ダイポールに直接寄与しないことを示唆する。
• 超水平等曲率モードは、CMBと物質の静止フレーム間の相対速度を引き起こす。この相対速度はCMBダイポールに影響を与え、その内在的成分を説明する可能性を有する。
• 銀河数密度ダイポールが運動的であり、CMBダイポールが等曲率モードによる内在的成分を持つというシナリオは、やや不自然ではあるが、現在のデータと整合的である。
• このモデルは、等曲率モードによって引き起こされる付随する銀河数密度四重極モーメントシグネチャーを予測しており、これは将来の深宇宙調査で測定可能である可能性を有する。
• 脱結合時に超水平であったが現在は部分的水平となったモードは、現在のCMB制約下では、観測されたダイポール緊張を解消するには十分な大きさの数密度ダイポールを生成しない。
• このフレームワークは、テスト可能な予測を提供する：等曲率モードに起因する測定可能な数密度四重極モーメント。これは、このシナリオを標準的な ΛCDM と区別するための潜在的な観測的シグネチャーを提供する。