[論文レビュー] The Cosmic Microwave Background in an Inhomogeneous Universe - why void models of dark energy are only weakly constrained by the CMB

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

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 78被引用数 50

ひとこと要約

本稿は、非一様宇宙における球対称空洞モデルが、ダークエネルギーの代替として機能しうることを調査しており、放射の力学的挙動を適切に取り入れた場合、これらのモデルは微調整を要せずCMBパワースペクトルに適合可能であると示している。主な結果として、非一様な放射の進化が中心部での温度およびバリオン-光子比のスケーリングに重要な役割を果たすため、CMBデータによる空洞モデルの制約は弱い。

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

• 宇宙の加速度がダークエネルギーではなく大規模な非一様性に起因する空洞モデルが、宇宙マイクロ波背景（CMB）パワースペクトルを一貫して再現できるかどうかを評価すること。
• 特に小スケールにおいて、非一様LTBモデルにおけるCMB非等方性に動的放射の進化が与える影響を調査すること。
• 先行研究で仮定されていた微調整された空間的プロファイルの仮定に挑戦し、放射の効果が制約に顕著に影響することを示すこと。
• 漸近的に平坦な空洞モデルがCMBデータに適合可能かどうか、あるいはCMB赤方偏移で開いた幾何学が必要かどうかを評価すること。
• スペクトル歪み、運動的サニエフ＝ツェルドビッチ効果、バリオン音響振動など他の観測に与える影響を検討すること。

提案手法

• 空間的に変化する曲率、物質密度、ハッブル定数を持つ非一様空洞を記述するために、球対称Lemaître-Tolman-Bondi（LTB）モデルを用いる。
• 従来の研究で用いられる固定された放射プロファイルの簡略化仮定を避けるために、測地線方程式および温度進化における放射の完全な力学的挙動を組み込む。
• 空洞中心部でのスケーリング則 $ T \propto 1/a^{n} $ を用い、$ n \neq 1 $ とすることで非FLRWの放射進化をモデル化する。ここで $ \hat{a} $ は空洞支配的膨張への遷移を示す。
• 初期時におけるバリオン対光子比 $ \eta^{(\text{in})} $ を $ \eta_{0}^{(\text{in})} \simeq \hat{a}^{3(1-n)} \eta_{*}^{(\text{in})} $ を用いて計算し、初期核合成制約と関連付ける。
• 小スケール物理学が非一様性に敏感な $ \ell \sim 1000 $ 範囲に注目し、CMB角パワースペクトルを制約として用いる。
• 超新星の距離モジュラス、局所的ハッブル定数、CMB温度非等方性といった観測データと比較し、一貫性を検証する。

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空洞モデルは、空間的プロファイルを微調整しなくても観測されたCMBパワースペクトルを再現可能か？
• RQ2 動的放射進化を組み込むと、空洞中心部での温度およびバリオン-光子比にどのような影響が生じるか？
• RQ3 漸近的に平坦な空洞モデルはCMBに適合可能か、それともCMB赤方偏移で開いた幾何学が必要か？
• RQ4 CMB観測は、非一様モデルにおける放射プロファイルおよびその進化にどのような制約を課すか？
• RQ5 運動的サニエフ＝ツェルドビッチ効果および他のCMB関連観測は、空洞モデルにおける仮定された放射プロファイルにどのように依存するか？

主な発見

• CMB脱結合時に開いているとされるモデルは、放射の力学的挙動を含めても微調整なしにCMBパワースペクトルに適合可能である。
• 空洞中心部におけるバリオン対光子比は $ \eta_{0}^{(\text{in})} \simeq \hat{a}^{3(1-n)} \eta_{*}^{(\text{in})} $ と進化し、標準モデルと比較して初期値が顕著に低減することが示唆される。
• 空洞中心部における非FLRWの放射スケーリング（$ n \neq 1 $）は、有効な $ \eta^{(\text{in})} $ を低減させるが、$ \Omega_m^{(\text{in})} $ や $ f_b $ を調整すれば、7Li核合成制約と整合的である可能性がある。
• 放射が空洞支配的膨張への遷移段階で支配的でないため、宇宙の年齢は中心部でわずかにしか変化しない。
• CMB脱結合時の温度 $ T_*^{(\text{in})} $ および等価赤方偏移 $ z_{\text{eq}}^{(\text{in})} $ は放射プロファイルによって変化するが、これらは独立な制約ではなく、後から決定される。
• 運動的サニエフ＝ツェルドビッチ効果および他のCMB観測は、物質の非一様性よりも放射の非一様性により敏感である可能性があり、結果として放射プロファイルがデータによって選別可能であり、空洞モデルが除外されない可能性がある。