[論文レビュー] The Cold Spot in the Cosmic Microwave Background: the Shadow of a Supervoid

István Szapudi, András Kovács+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z ≈ 0.22 における巨大なスーパーボイドが、宇宙マイクロ波背景（CMB）のコールドスポットを引き起こしていると提案している。このスーパーボイドはWISE-2MASS調査により検出され、PS1からの光度赤方偏移によって確認された。Lemaître-Tolman-Bondi（LTB）モデルを用いて、このスーパーボイドの非線形Rees-Sciama効果がCMB温度低下を約−20 μK引き起こすことが示され、この主要なCMB異常を説明する最初の妥当な物理的メカニズムが提示された。

ABSTRACT

Standard inflationary hot big bang cosmology predicts small fluctuations in the Cosmic Microwave Background (CMB) with isotropic Gaussian statistics. All measurements support the standard theory, except for a few anomalies discovered in the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe maps and confirmed recently by the Planck satellite. The Cold Spot is one of the most significant of such anomalies, and the leading explanation of it posits a large void that imprints this extremely cold area via the linear Integrated Sachs-Wolfe (ISW) effect due to the decay of gravitational potentials over cosmic time, or via the Rees-Sciama (RS) effect due to late-time non-linear evolution. Despite several observational campaigns targeting the Cold Spot region, to date no suitably large void was found at higher redshifts $z > 0.3$. Here we report the detection of an $R =(192 \pm 15) h^{-1}Mpc$ size supervoid of depth $δ= -0.13 \pm 0.03$, and centred at redshift $z = 0.22$. This supervoid, possibly the largest ever found, is large enough to significantly affect the CMB via the non-linear RS effect, as shown in our Lemaitre-Tolman-Bondi framework. This discovery presents the first plausible explanation for any of the physical CMB anomalies, and raises the possibility that local large-scale structure could be responsible for other anomalies as well.

研究の動機と目的

• CMBコールドスポットの方向に大スケールの減数（スーパーボイド）が存在するかを特定し、CMBにおける長年の異常を解消すること。
• そのようなスーパーボイドが非線形統合Sachs-Wolfe（ISW）効果によってCMB温度低下を顕著に引き起こす可能性があるかを評価すること。
• スーパーボイドのまれさと、ΛCDM宇宙論におけるコールドスポットとの偶然一致の確率を評価し、因果関係の強化を図ること。
• 投影された銀河密度と光度赤方偏移データを用いてボイドの3次元構造をモデル化し、CMB観測と整合性があるかを検証すること。

提案手法

• 21,200平方度をカバーするWISE-2MASSカタログを用い、低赤方偏移（中央値 z ≈ 0.14）における銀河密度をマッピングした。
• 銀河の角度パワー スペクトルを測定し、密度場再構築に必要なバイアスパラメータ b_g = 1.41 を得た。
• Pan-STARRS1調査からの光度赤方偏移を用いたトモグラフィック画像化技術を適用し、赤方偏移チャンクごとの銀河分布の3次元スライスを作成した。
• CMBに及ぼすボイドの非線形Rees-Sciama効果を模擬するため、Lemaître-Tolman-Bondi（LTB）モデルを構築し、観測された温度プロファイルと一致させた。
• 簡略化された近似を用いてボイドからの線形ISW寄与を推定し、CMB低下が約−20 μKに達することを予測した。
• WISE-2MASSマップを25°のガウスフィルタで平滑化することで、スカイ全体における類似した減数の希少性を評価し、唯一の類似減数が存在することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBコールドスポットの方向に、低赤方偏移銀河調査で検出可能な大スケールの減数（スーパーボイド）が存在するか？
• RQ2 そのようなスーパーボイドが非線形Rees-Sciama効果によって、観測されたコールドスポットと同等のCMB温度低下を引き起こすことができるか？
• RQ3 検出されたスーパーボイドはどれほどまれであり、ΛCDM宇宙論におけるコールドスポットとの偶然一致の確率はどの程度か？
• RQ4 中央部の深さと周囲の過密度シェルを含む、スーパーボイドの3次元構造は、CMBマップで観測された形態的特徴と一致するか？
• RQ5 このスーパーボイドを用いて、観測されたCMBコールドスポットは標準的なΛCDMフレームワーク内で説明可能か？それとも新物理を必要とするか？

主な発見

• 赤方偏移 z = 0.22 ± 0.01 に位置する半径 R = (192 ± 15) h⁻¹ Mpc、深さ δ = −0.13 ± 0.03 のスーパーボイドが検出され、これは既知の最大クラスのボイドの一つである。
• このスーパーボイドの非線形Rees-Sciama効果により、CMB温度低下が約−20 μKに達することが示され、コールドスポットの顕著な一部を説明できる。
• スーパーボイドの構造は複雑で、中央部の減数、周囲の過密度シェル、および可能性のある準ボイドやフィラメントを有しており、補償ボイドモデルと整合的である。
• 投影された銀河分布とCMBコールドスポットの形態的一致は強く、特にボイドの最も深い部分がCMBコールドスポットと一致する中央赤方偏移スライス（z ≈ 0.17–0.22）で顕著である。
• 統計的解析により、スーパーボイドは少なくとも3.5σの揺らぎであり、コールドスポットとの偶然一致は極めて低い確率であることが示された。
• 25° FWHMのより大きなスケールで第二の、やや有意でない減数が検出されたが、物理的サイズは小さく、CMB異常を説明するには距離が離れすぎている。