[論文レビュー] Lightcone Averaging and Precision Cosmology

Fabien Nugier|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 131被引用数 9

ひとこと要約

本博士論文は、宇宙の非一様性が精度 cosmology、特にダークエネルギーのパrameter推定に与える影響を研究するため、ゲージ不変なライトコーン平均化フレームワークを導入する。平均的な光度距離は僅かにしか影響を受けないが、特異速度と弱いレンズ効果によって駆動される距離モジュラスの分散は顕著に増大しており、構造効果がダークエネルギーの代替要因とはなり得ないことを示唆するとともに、データの分散においてその重要性を強調している。

ABSTRACT

The first objective of this thesis is to fill the lack in cosmology of a description on the past light cone: the null hypersurface on which observed signals propagate. Its second goal is to evaluate the importance of inhomogeneities in the determination of dark energy parameters, whose real nature is still unknown and for which the influence of matter structures has been proposed as a cosmological alternative. We start with the definition of a "geodesic lightcone" gauge simplifying greatly the study of light propagation in the Universe. We then define a gauge invariant average of scalars on the past light cone and compute the effect of inhomogeneities on the luminosity flux by considering their power spectrum up to its non-linear regime. The effect on the flux is negligible whereas observables like the luminosity distance, computed at second order in perturbations, are much more affected. We also study the distance modulus at the basis of the discovery of dark energy from type Ia supernovae (SNe). The average of this modulus is only slightly affected by inhomogeneities but its variance sensitively depends on them. These results show, within their hypotheses, that an alternative to dark energy by an effect of structures is impossible but, at the same time, emphasize their importance on the dispersion of data in the Hubble diagram. The dominating physical effects turn out to be peculiar velocity of SNe and weak lensing. Our predictions on the dispersion are in very good agreement with first analyses carried out so far to detect a signal of lensing among SNe Ia data and will be testable in the near future.

研究の動機と目的

• 観測信号が伝播する過去のライトコーン上で、宇宙論的観測量を平均化するゲージ不変な形式主義を構築すること。
• 物質構造の非一様性が、宇宙の加速を引き起こす要因としてダークエネルギーを模倣または置き換える可能性があるかどうかを評価すること。
• 2次の摂動理論を用いて、非線形非一様性が光度距離および距離モジュラスに与える影響を定量化すること。
• 弱いレンズ効果と特異速度が、Ia型超新星データの観測分散に果たす役割を評価すること。
• 観測データと比較可能な、ハッブル図における分散の検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 光の伝播を非一様時空で簡略化するため、'測地的ライトコーン'ゲージを導入する。
• 共変形式を用いて、スカラー量の過去のライトコーン上でのゲージ不変平均を定義する。
• 非線形領域にまで及ぶ密度摂動のパワースペクトルを用いて、非一様性が光度フラックスに与える影響を計算する。
• 2次摂動論的手法を用いて、光度距離および距離モジュラスへの補正を評価する。
• 特異速度と弱いレンズ効果が、超新星データの観測分散に与える寄与を分離する。
• 理論的予測による距離モジュラス分散を、Ia型超新星データに対する既存の観測解析と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙物質分布の非一様性は、観測される光度距離および距離モジュラスにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ2 観測された宇宙の加速は、ダークエネルギーの代わりに非一様構造形成によって説明可能か？
• RQ3 特異速度と弱いレンズ効果は、Ia型超新星のハッブル図における散らばりにどの程度寄与するか？
• RQ4 非線形密度揺らぎは、宇宙論的ライトコーン平均観測量にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 距離モジュラスの分散に関する理論的予測は、現在の超新星データ解析と整合しているか？

主な発見

• 平均的な光度距離は非一様性の影響を僅かに受けるにとどまり、大規模な平均化が平均的宇宙膨張率を顕著に変えることはない。
• 距離モジュラスの分散は非一様性によって強く影響を受けており、特異速度と弱いレンズ効果が主な物理的寄与要因である。
• 距離モジュラスの分散に関する理論的予測は、Ia型超新星データにレンズ効果を検出することを目的とした最初の観測解析と良好に一致している。
• このフレームワークの仮定のもとでは、構造に起因する効果は観測された宇宙の加速を説明できず、ダークエネルギーの完全に非一様な代替解を排除する。
• 2次摂動論的手法により、フラックス自体はほとんど影響を受けないのに対し、距離モジュラスのような観測量は非一様性に対してより敏感であることが明らかになった。
• ゲージ不変なライトコーン平均化形式主義は、非線形構造が存在する精度宇宙論の文脈において、強固で一貫性のあるフレームワークを提供する。