[論文レビュー] The Cosmic Microwave Background in an Inhomogeneous Universe

Chris Clarkson, Marco Regis|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、特に球対称な空洞モデルとしてのハッブルスケールの非一様性（物質および空間曲率の非一様性）が、ダークエネルギーを仮定せずにIa型超新星の減光を説明できることを提案している。著者らは、放射の動的性を分析に厳密に組み込むことで、CMB距離におけるオープンモデルが微調整なしにCMBパワースペクトルをよく再現することを示しており、一方で漸近的に平坦なモデルでは追加の仮定を要する。

ABSTRACT

The dimming of Type Ia supernovae could be the result of Hubble-scale inhomogeneity in the matter and spatial curvature, rather than signaling the presence of a dark energy component. A key challenge for such models is to fit the detailed spectrum of the cosmic microwave background (CMB). We present a detailed discussion of the small-scale CMB in an inhomogeneous universe, focusing on spherically symmetric `void' models. We allow for the dynamical effects of radiation while analyzing the problem, in contrast to other work which inadvertently fine tunes its spatial profile. This is a surprisingly important effect and we reach substantially different conclusions. Models which are open at CMB distances fit the CMB power spectrum without fine tuning; these models also fit the supernovae and local Hubble rate data which favours a high expansion rate. Asymptotically flat models may fit the CMB, but require some extra assumptions. We argue that a full treatment of the radiation in these models is necessary if we are to understand the correct constraints from the CMB, as well as other observations which rely on it, such as spectral distortions of the black body spectrum, the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect or the Baryon Acoustic Oscillations.

研究の動機と目的

• ハッブルスケールの物質および曲率の非一様性が、ダークエネルギーを必要とせずにIa型超新星の減光を説明できるかどうかを調査すること。
• 非一様モデルにおける詳細な小スケール宇宙マイクロ波背景（CMB）パワースペクトルの適合という課題に取り組むこと。
• 球対称空洞モデルにおける放射の動的性がCMBに与える影響を検討し、先行研究における過小評価を是正すること。
• 現実的な物理的仮定のもとで、漸近的に平坦な空洞モデルがCMBデータに適合できるかどうかを評価すること。
• CMB観測からの正確な制約を得るための包括的放射処理の必要性を確立すること、これにはスペクトル歪みや運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果を含む。

提案手法

• 空間曲率および非一様物質分布を持つ球対称空洞モデルの構築。
• 静的または微調整された空間的分布を仮定するのではなく、宇宙の進化全般にわたり放射の動的効果を組み込むこと。
• 非一様時空における構造形成および放射輸送の相対論的方程式の完全なセットを解くこと。
• 光の非一様領域を通過する伝播を考慮した数値解を用いて、これらのモデルにおけるCMBパワースペクトルを計算すること。
• 予測されたCMBパワースペクトルを観測データと比較し、モデルの整合性をテストすること。
• これらのモデルが超新星データおよび局所的に測定されたハッブル定数とどの程度整合するかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブルスケールの非一様性を持つ球対称空洞モデルが、空間的分布の微調整なしに観測されたCMBパワースペクトルを再現できるか？
• RQ2 非一様モデルにおける放射の動的効果は、標準的手法と比較してCMB非一様性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 CMB距離におけるオープン空洞モデルが、CMBおよび超新星データの両方に一貫した適合を提供できるか？
• RQ4 スペクトル歪みや運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果を含むCMB観測は、非一様モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 放射の動的性が適切に考慮された場合、漸近的に平坦な空洞モデルはCMBに適合できるか？

主な発見

• ハッブルスケールで非一様なオープン空洞モデルは、空間的分布の微調整なしに観測されたCMBパワースペクトルをよく再現する。
• 放射の動的効果を組み込むと、静的または調整済みの分布を仮定した従来のモデルとは著しく異なる結論が得られる。
• CMBをよく再現する同じオープン空洞モデルは、観測されたIa型超新星の減光を再現でき、かつ局所的な高いハッブル定数とも整合する。
• 漸近的に平坦な空洞モデルはCMBに適合可能だが、追加の仮定を要するため、オープンモデルに比べて自然さに欠ける。
• CMB観測からの非一様モデルの正確な制約を得るためには、スペクトル歪みや運動的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果を含む二次効果を含めた包括的放射処理が不可欠である。
• 結果として、非一様宇宙論の今後の分析において放射の動的性を含めない限り、モデルの妥当性について誤った結論に至る可能性があることが示唆される。