[論文レビュー] Super-homogeneity and inhomogeneities in the large scale matter distribution

Francesco Sylos Labini|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LCDM宇宙論における大スケール物質揺らぎの予測された超均一性と、銀河赤方偏移調査およびCMBRデータにおける観測された大スケール非一様性の間の矛盾を検討する。超均一性の確認が得られていないことは、スケール不変なパワー スペクトルの失敗を示唆し、特に質量分散とCMBR非等方性の低多重極における振る舞いに関して、標準構造形成モデルの基盤を揺るがすものである。

ABSTRACT

Super-homogeneity is a property that is supposed to be satisfied by matter fluctuations in all standard theoretical models of structure formation, such as LCDM and its variants. This is a global condition on the correlation properties of the matter density field, which can be understood as a consistency constraint in the framework of FRW cosmology, and it corresponds to a very fine tuned balance between negative and positive correlations of density fluctuations and to the fastest possible decay of the normalized mass variance on large scales. By considering several galaxy samples, we discuss that these are characterized by the presence of large amplitude fluctuations with spatial extension limited only the size of the current samples. There is therefore a tension between the standard prediction of super-homogeneity and the detection of large scale inhomogeneities in the matter distribution at scales of the order of 100 Mpc/h. We discuss the theoretical implications of these results with respect to models of structure formation and to future galaxy and CMBR data, emphasizing the central role of the super-homogeneity property in the current description of fluctuations in FRW models.

研究の動機と目的

• 銀河調査における大スケール物質分布が、標準宇宙論モデルが予測する超均一性を示すかどうかを評価すること。
• 約100 Mpc/hスケールでの観測された大振幅揺らぎが、LCDMモデルの妥当性に与える影響を調査すること。
• CMBR非等方性における超均一性の欠如、特に低四重極および八重極パワーの低さが、初期宇宙のスケール不変性に挑戦するかどうかを評価すること。
• 過去の研究で矛盾する結果を生じさせた可能性のある、銀河カタログ解析における有限サイズ効果を検討すること。
• 観測的に超均一性が確認されない場合、現在の構造形成モデルの理論的整合性がどのように影響を受けるかを問い直すこと。

提案手法

• 100 Mpc/hスケールまでの大規模な空間相関およびフィールドごとの揺らぎを測定するために、複数の銀河赤方偏移調査を分析する。
• FRW宇宙論における一貫性条件としての超均一性の概念を適用し、大スケールで正規化された質量分散が最も速く減衰する条件として定義する。
• CMBR温度パワー スペクトル $ C_{ heta} $ 及びその多重極 $ C_{ heta} $ を用いて、特に低 $ heta $（大スケール角度）におけるスケール不変性の逸脱をテストする。
• WMAPおよびPlanckデータからの二点相関関数 $ C( heta) $ の $ heta $ 依存性を評価し、60度以上の大スケールで相関の欠如を検出する。
• 理論的予測である $ C_{ heta} ightarrow 0 $ が大スケールで成り立つことと、観測データ（特に低多重極の低振幅）を比較する。
• CMBRデータにおける系境的効果およびフォアグラウンド汚染の役割を評価し、特に低四重極が観測された背景を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河の大スケール調査は、LCDMモデルが予測するように超均一性を示すか？
• RQ2 約100 Mpc/hスケールでの観測された大振幅揺らぎは、超均一性の理論的期待値とどの程度矛盾するか？
• RQ3 60度以上の角度スケールでCMBR非等方性に相関の欠如が観測された場合、インフレーションモデルが予測するスケール不変パワー スペクトルと整合的か？
• RQ4 銀河サンプルにおける有限サイズ効果は、空間相関の測定および超均一性の検出にどのように影響を与えるか？
• RQ5 銀河またはCMBRデータの両方で超均一性が確認されない場合、理論的含みは何か？

主な発見

• 銀河調査では、10 Mpc/hを超えるスケールで予測される超均一性とは対照的に、100 Mpc/hまで広がる顕著な非一様性が観測されている。
• CMBR温度パワー スペクトル $ C_{ heta} $ は、約60度以上の角度スケールで相関の欠如を示しており、標準モデルが予測するスケール不変な $ C_{ heta} ightarrow 0 $ の振る舞いとは整合しない。
• WMAPデータにおける低四重極および八重極の振幅は、LCDM予測と整合せず、ランダム実現における発生確率が0.025%未満であることが判明した。
• 初期のPlanckデータは、CMBR四重極がほぼゼロであることを示唆しており、WMAPの低パワーが宇宙論的物理的要因ではなく、系境的効果に起因する可能性を支持している。
• 銀河カタログおよびCMBR非等方性の両方で確認された超均一性の欠如は、インフレーションパラダイムの理論的整合性と初期フラクチュエーションのスケール不変性に挑戦する。
• 銀河サンプルにおける有限サイズ効果が、異なる研究間での矛盾する結果に寄与していることが示され、大スケール構造解析における慎重な統計的取り扱いの必要性が強調された。