[論文レビュー] Turnaround overdensity as a cosmological observable: the case for a local measurement of $\Lambda$

Dimitrios Tanoglidis, T.N. Tomaras+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2016

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

ひとこと要約

本稿では、ΛCDMモデル内での宇宙構造内の転回半径の時間的変化を追跡することにより、宇宙定数Λを局所的・構造スケールで測定するための局所的宇宙論的テストを提案する。球対称崩壊モデルを用いて、転回における過密度がΩm,0およびΩΛ,0に依存することを示し、Λの局所的・構造スケールでの測定を可能にし、ΛCDMの整合性チェックおよび標準模型を超える新物理の探査を可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate that, in the context of the $\Lambda$CDM model, it is in principle possible to measure the value of the cosmological constant by tracing, across cosmic time, the evolution of the turnaround radius of cosmic structures. The novelty of the presented method is that it is local, in the sense that it uses the effect of the cosmological constant on the relatively short scales of cosmic structures and not on the dynamics of the Universe at its largest scales. In this way, it can provide an important consistency check for the standard cosmological model and can give signs of new physics, beyond $\Lambda$CDM.

研究の動機と目的

• 大規模な宇宙力学に依存しない、宇宙定数Λの局所的宇宙論的テストを開発すること。
• 超新星やCMBなどの大規模観測から得られるダークエネルギーの測定値の整合性を確認する必要に応えること。
• 非ゼロのΛの存在が、局所的物理および構造スケールの力学のみを用いて証明可能かどうかを検討すること。
• 束縛構造における転回半径の時間的変化を通じて、ΩΛ,0を測定する可能性を示すこと。
• ΛCDMからの逸脱を検出するか、Λの存在を独立して確認できる、局所的・構造ベースのテストの概念的実現を提供すること。

提案手法

• 宇宙スケール因子aの関数として、転回半径Rta(a)の時間的変化を記述する球対称崩壊モデルを用いる。
• ρta(a) = M / (4πRta³/3)を用いて、δta(a) = (ρta(a) − ρm(a)) / ρm(a)の関係から、転回における過密度δta(a)を導出する。
• Rta(a) = [3M / (4π(1 + δta(a))ρm,0 a³)]^{1/3}として、転回半径を宇宙論的パラメータΩm,0およびΩΛ,0に結びつける。
• 転回過密度の背景密度に対する時間的変化を追跡するための次元なし関数I(a) = (1 + δta(a)) / a³を導入する。
• 特にa = 0.50におけるI(a)のΩm,0およびΩΛ,0への依存関係を分析し、宇宙の異なる時代における挙動を検討する。
• 統計的誤差伝播を用いて、ΩΛ,0 ≠ 0を5σの信頼水準で検出するための測定回数（N ≈ 25）を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙定数Λは、大規模な宇宙力学に依存せず、局所的・構造スケールの物理のみを用いて測定可能か？
• RQ2 ΛCDMモデルにおいて、宇宙構造の転回半径は時間とともにどのように変化するのか？また、Ωm,0およびΩΛ,0にどのように依存するか？
• RQ3 観測可能な転回過密度を用いて、非ゼロのΛを5σの信頼水準で証明する局所的テストを構築可能か？
• RQ4 転回過密度はΩΛ,0の変動にどれほど敏感か？また、これによりΛの下限を設定可能か？
• RQ5 この手法を用いて非ゼロのΛを検出するには、どの程度の観測精度と測定回数が必要か？

主な発見

• 転回過密度δta(a)はΩm,0およびΩΛ,0に依存して異なるように変化するため、宇宙論的観測量として有効である。
• 関数I(a) = (1 + δta(a)) / a³はΩm,0およびΩΛ,0に依存し、a = 0.50においてI ≈ −0.400はΩΛ,0 ≈ 0.68に対応する。
• ΩΛ,0 ≠ 0を5σの信頼水準で検出するためには、平均値IがΩΛ,0 = 0に対応するI ≈ −0.450から少なくとも0.01以上離れている必要がある。
• 等しい測定誤差を仮定した場合、必要な精度を達成するためには、転回質量および半径の独立した測定が少なくともN ≈ 25回必要となる。
• 本手法は、ΛCDMの整合性を確認するための独立したテストを提供する局所的・構造ベースのテストであり、Λの非ゼロ存在の独立的検証や挑戦を可能にする。
• 使用した球対称崩壊モデルにおいて、非球面性の影響は小さいと予想されるため、本手法は転回スケールにおける非球面性に対して頑健である。