[論文レビュー] On astrophysical explanations due to cosmological inhomogeneities for the observational acceleration

Kenji Tomita|ArXiv.org|Jun 7, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、タイプIa超新星の観測データから、宇宙の観測された加速を説明するためのダークエネルギーの代替として、非一様な宇宙論的モデル——特に局所的空洞モデルと平均化されたバックレアクトンモデル——を評価している。CMB、BAO、および運動的サニャエフ＝ゼルドビチ効果との整合性チェックにより、多くのモデルが除外され、残るのは非常に狭いパラメータ範囲に限られ、また、宇宙定数が存在しない場合、顕著な摂動振幅や重力エネルギー密度が、加速を生じさせるために必要であることが示された。

ABSTRACT

We review various cosmological models with a local underdense region (local void) and the averaged models with the backreaction of inhomogeneities, which have been proposed to explain (without assuming a positive cosmological constant) the observed accelerating behaviors appearing in the magnitude-redshift relation of SNIa. To clarify their reality, we consider their consistency with the other observational studies such as CMB temperature anisotropy, baryon acoustic oscillation, kinematic Sunyaev-Zeldovich effect, and so on. It is found as a result that many inhomogeneous models seem to be ruled out and only models with the parametrs in the narrow range remain to be examined, and that, unless we assume very high amplitudes of perturbations or gravitational energies, the averaged models cannot have the accelerated expansion and the fitted effective Lambda has not the value necessary for the observed acceleration.

研究の動機と目的

• 局所的な低密度空洞のような宇宙論的非一様性が、宇宙定数を導入せずに観測された超新星の等級-赤方偏移関係を説明できるかどうかを評価すること。
• 局所的空洞モデルと平均化されたバックレアクトンモデルが、CMB異方性、バリオン音響振動（BAO）、および運動的サニャエフ＝ゼルドビチ効果を含む複数の独立した観測と整合するかどうかを検証すること。
• 非一様モデルにフィットさせた有効な宇宙定数が、加速に必要な観測値と一致するかどうかを特定すること。
• 特に宇宙定数が存在しない状況下で、現在の観測データからの制約を受けて、非一様モデルの妥当性を検討すること。
• 重力エネルギーまたは高振幅摂動が、これらのモデルにおける見かけの加速を生成する上で果たす役割を調査すること。

提案手法

• 局所的空洞（中心部が低密度）と外側の高密度領域を持つ球対称非一様時空をモデル化するため、Lemaître-Tolman-Bondi（LTB）解を用いる。
• 非一様モデルにおける角距離距離を計算するためにDyer-Roeder方程式を適用し、SNIaの理論的等級-赤方偏移関係を導出可能にする。
• 非一様モデルから得られる理論的等級-赤方偏移関係を観測値と比較し、フィットの質を評価する。
• post-Newton近似と非線形摂動モデル（例：スイスチーズモデル）を用いて、Λが存在するFLRWモデルへのフィットを通じて有効な宇宙定数を計算する。
• CMB温度異方性、BAOスケール測定、運動的サニャエフ＝ゼルドビチ効果、スペクトル歪みなどの観測データとの整合性チェックを実施する。
• 空洞、壁、拡張領域といった領域間の重力エネルギー差が時計の進み方や見かけの膨張ダイナミクスに与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙定数がゼロの宇宙において、局所的な低密度空洞がダークエネルギーを必要とせずに、タイプIa超新星の観測された等級-赤方偏移関係を再現できるか？
• RQ2 宇宙定数がゼロの宇宙における非一様性からの平均化されたバックレアクトン効果は、観測された宇宙の加速と有効なΛの観点からどのように比較されるか？
• RQ3 CMB、BAO、および運動的サニャエフ＝ゼルドビチ観測が、局所的空洞モデルおよびそのパラメータに課す制約は何か？
• RQ4 非一様モデルをΛCDMモデルにフィットさせることで、必要な有効な宇宙定数を達成できるか？また、そのために必要な摂動振幅はどの程度か？
• RQ5 重力エネルギーの差や高振幅摂動が、非一様モデルにおける見かけの加速を生成する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 多くの局所的空洞モデルは、CMB温度異方性、BAO、および運動的サニャエフ＝ゼルドビチ効果との整合性チェックにより除外される。
• 高振幅摂動または顕著な重力エネルギー寄与を持つモデルに限って、わずかなパラメータ範囲でのみ妥当性が保たれる。
• 超 horizon 内の摂動を持つ平均化されたバックレアクトンモデルでは、摂動振幅がCMB正規化レベルを上回らない限り、十分な加速や必要な有効なΛを生成できない。
• 非一様モデルをΛCDMにフィットさせた有効なΛはpost-Newton近似でわずかに~0.004にとどまり、観測値（~0.75）と比べて著しく小さいため、通常の摂動では加速が不十分であることが示された。
• CMB正規化値よりもはるかに大きな振幅を持つ非線形摂動モデルでは、観測値と同等の有効なΛを生成できるが、そのような高い振幅は観測的に疑わしい。
• 超 horizon 版の局所的空洞モデルでは、摂動領域のサイズがEdS宇宙のホライズン半径と同等でない限り、加速を生成できない。これは一般的には満たされていない。