[論文レビュー] Looking the void in the eyes - the kSZ effect in LTB models

J. García-Bellido, Troels Haugboelle|ArXiv.org|Jul 9, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用数 69

ひとこと要約

本稿は、宇宙の加速がダークエネルギーではなく、巨大な低密度空洞（void）によるものであると提唱するLemaître-Tolman-Bondi（LTB）空洞モデルを、運動的Sunyaev-Zeldovich（kSZ）効果を用いて検証する。kSZ観測は、中心からずれた銀河団からの信号によって、空洞のサイズと密度プロファイルに対するきびしい制約をもたらし、現在のデータでは1.5 Gpcを超える空洞は非常に高い有意水準で排除され、近い将来の調査によってこのようなモデルが明確に確認または除外されることを予測している。

ABSTRACT

As an alternative explanation of the dimming of distant supernovae it has recently been advocated that we live in a special place in the Universe near the centre of a large void described by a Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) metric. The Universe is no longer homogeneous and isotropic and the apparent late time acceleration is actually a consequence of spatial gradients in the metric. If we did not live close to the centre of the void, we would have observed a Cosmic Microwave Background (CMB) dipole much larger than that allowed by observations. Hence, until now it has been argued, for the model to be consistent with observations, that by coincidence we happen to live very close to the centre of the void or we are moving towards it. However, even if we are at the centre of the void, we can observe distant galaxy clusters, which are off-centre. In their frame of reference there should be a large CMB dipole, which manifests itself observationally for us as a kinematic Sunyaev-Zeldovich (kSZ) effect. kSZ observations give far stronger constraints on the LTB model compared to other observational probes such as Type Ia Supernovae, the CMB, and baryon acoustic oscillations. We show that current observations of only 9 clusters with large error bars already rule out LTB models with void sizes greater than approximately 1.5 Gpc and a significant underdensity, and that near future kSZ surveys like the Atacama Cosmology Telescope, South Pole Telescope, APEX telescope, or the Planck satellite will be able to strongly rule out or confirm LTB models with giga parsec sized voids. On the other hand, if the LTB model is confirmed by observations, a kSZ survey gives a unique possibility of directly reconstructing the expansion rate and underdensity profile of the void.

研究の動機と目的

• 超新星の減光を説明するダークエネルギーの代替として、LTB空洞モデルの妥当性を検証すること。
• 中心からずれた銀河団が大きなkSZ信号を示すという事実を踏まえ、観測されたCMBダイポールがローカル空洞モデルと整合するかどうかを評価すること。
• kSZ観測が、空洞のサイズや低密度度といったパラメータをどれほど効果的に制約できるかを評価すること。
• 近い将来のkSZ調査（ACT、SPT、Planck）が、LTB空洞モデルを確認または除外するのにどの程度の感度を示すかを予測すること。

提案手法

• 球対称かつ非一様な物質分布を仮定したLTB計量をモデル化し、自由パラメータを減らすために一様なビッグバン（GBH）を仮定する。
• 空洞内の非一様な膨張に起因する光子の経路差を考慮し、中心からずれた銀河団の静止系におけるCMBダイポールを計算する。
• CMB静止系に対する銀河団の見かけの速度を導出し、これが微波背景非一様性に検出可能なkSZ効果を引き起こすことを示す。
• 誤差が大きい9つの銀河団からの現在のkSZデータを用いて、特に半径と内部密度対比を含む空洞パラメータを制約する。
• ACT、SPT、APEX、Planckなどの将来的なkSZ調査の感度を予測し、さまざまなサイズの空洞を検出または除外できるかを評価する。
• kSZ制約を、SNe Ia、BAO、CMBからの既存のデータと組み合わせ、モデルの一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 他の宇宙論的プローブ（SNe Ia や CMB 非一様性）に比べて、kSZ効果はLTB空洞モデルをどれほど強く制約できるか？
• RQ2 現在の銀河団におけるkSZ観測を踏まえた場合、LTBモデルで許容される最大の空洞半径はどの程度か？
• RQ3 ACT や SPT といった将来的なkSZ調査は、ギガパーセクスケールの空洞をどれほど効果的に除外できるか？
• RQ4 他のデータセットと組み合わせた場合、GBH制約付きLTBモデルはどの程度kSZ観測によって除外されるか？
• RQ5 LTBモデルが確認された場合、kSZ調査は空洞の膨張速度および低密度プロファイルを直接再構成できるか？

主な発見

• 誤差が大きい9つの銀河団における現在のkSZ観測は、空洞サイズが約1.5 Gpcを超えるLTBモデルと、顕著な低密度を示すモデルをすでに有意に除外している。
• kSZデータをSNe Ia、BAO、CMBデータと組み合わせた場合、制約付きGBH LTBモデルは実質的に3σの有意水準で除外されている。
• 小さな空洞（r₀ ≤ 800 Mpc）は、現在のkSZデータでは制約が得られていない。これは、サンプル内の最低赤方偏移の銀河団に影響がないためである。
• 10個の良好に観測された銀河団があれば、800 Mpcの半径の空洞は3σの有意水準で除外可能であり、100個の銀河団ではその範囲が500 Mpcまで拡大される。
• LTBモデルが確認された場合、kSZ調査は空洞の密度および膨張速度プロファイルを直接再構成する、唯一の方法を提供する。
• kSZ効果は、空洞構造に対する感度が他のプローブを上回るため、LTB空洞モデルを制約する観測的プローブとして最も強力であると特定された。