[論文レビュー] Nowhere to hide: closing in on cosmological homogeneity

J. P. Zibin, A. Moss|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2014

Space Science and Extraterrestrial Life被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、観測可能な宇宙の大部分において、二次的宇宙マイクロ波背景（CMB）非一様性——特にISW効果、kSZ効果、Rees-Sciama効果、CMB/銀河レンズ効果——を用いて、宇宙論的均一性を制約する新しい手法を提案する。その結果、局所的構造はΛCDMで予測される振幅の約20倍を超えることはできないと判明し、一次CMBデータに依存せずに二次的CMB効果から原始的パワー スペクトルを再構築したところ、標準モデルの均一性との整合性が確認された。

ABSTRACT

Homogeneity is a crucial, but poorly tested, assumption in cosmology. We introduce a new approach which allows us to place limits on the presence of localized structures within essentially our entire observable volume, using cosmic microwave background secondary anisotropies. We find that structures cannot exceed roughly 20 times their expected amplitude over most of our observable volume. Similarly, we place tight constraints on statistical inhomogeneity within our volume, performing the first power spectrum reconstruction using secondary anisotropies alone. We find that the standard model passes this important new consistency test. Our approach probes homogeneity over vastly larger volumes and scales than previous studies based on surveys.

研究の動機と目的

• 銀河図鑑調査の範囲を超えた広大な領域における宇宙論的均一性の仮定を検証すること。
• 二次的CMB効果を用いて、観測可能な宇宙における未検出の局所的構造の定量的上限を設定すること。
• 一次CMBデータに依存せずに、二次的CMB非一様性のみを用いてパワー スペクトルを再構築し、統計的非一様性を調べること。
• 標準モデルのΛCDMが、観測可能な宇宙の大部分にわたる二次的プローブを用いて均一性を検証した場合に、依然として整合的であるかどうかを評価すること。

提案手法

• Limber近似を用いた視線方向積分を用いて、二次的CMB効果（ISW、kSZ、Rees-Sciama、CMBレンズ効果、銀河レンズ効果）のパワー スペクトルをモデル化する。
• 局所的特徴を表す球対称構造と、統計的非一様性を表す修正された原始的パワー スペクトルを用いて、非一様性をパrameter化する。
• 赤方偏移z > 100とz ≤ 100の範囲に分けて、伝達関数とパワー スペクトルを別々に計算するように変更したマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）フレームワークを適用する。
• Planck 2013年データ（温度、偏光、レンズ効果を含む）を組み込み、Planck最良適合パラメータを用いた標準ΛCDMモデルの下でパワー スペクトルを制約する。
• CMBレンズ効果とISW効果を大規模構造の主なプローブとし、銀河レンズ効果は小スケール非一様性への感度を高める。
• 一次CMBスペクトルを${\cal P}_{\cal R}^{\rm LS}(k)$で平滑化し、修正の可能性を無視することで、制約を過大評価しない保守的なアプローチを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような大きさの局所的構造が、検出可能な二次的CMB非一様性を生じさせないまま存在できるか？
• RQ2 二次的CMBプローブのみを用いて、原始的パワー スペクトルの統計的非一様性はどの程度まで制約できるか？
• RQ3 レンズ効果やISW効果は、大規模非一様性に対してどの程度感度が高いか？
• RQ4 観測可能な宇宙の大部分にわたる二次的非一様性を用いて検証した場合、標準ΛCDMモデルは依然として均一性と整合的であるか？
• RQ5 一次CMBデータに依存せずに、二次的CMB効果から原始的パワー スペクトルを再構築することは可能か？

主な発見

• 観測可能な宇宙の大部分において、局所的構造の振幅は、ΛCDMで予測される値の約20倍を超えることはない。
• CMBレンズ効果は、広いスケールにわたり非一様性を調べる上で、ISWやkSZを上回る感度を示し、最も強力なプローブである。
• z ≤ 100の領域における再構築された内部原始的パワー スペクトル${\cal P}_{\cal R}^{\rm in}(k)$は、標準モデルと整合的であり、k ≃ 0.008から0.2\, \text{Mpc}^{-1}の範囲で制約されている。
• 銀河レンズ効果は小スケールで${\cal P}_{\cal R}^{\rm in}(k)$を引き下げ、CMBレンズ効果は大スケールで押し上げるため、補完的な感度を持つ。
• 再電離の光学的厚さは$\tau = 0.06 \pm 0.03$に制限され、$TE$データのみを用いた場合に見られるデゲネラシーを解消した。
• 標準ΛCDMモデルは、大規模で二次的プローブに基づく均一性制約という、新たな厳密な整合性テストに合格した。