[논문 리뷰] Constraints on large scale voids from WMAP-5 and SDSS

Paul M. Hunt, S. Sarkar|arXiv (Cornell University)|2008. 07. 28.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 암흑 에너지를 도입하지 않고도 우주 팽창 가속을 설명할 수 있는 지구 근처의 큰 밀도가 낮은 공극이 가능한지 조사한다. WMAP-5 CMB 데이터와 SDSS 간성 군집 데이터를 사용하여 분석한 결과, 비표준 가정 하에서는 이러한 공극이 데이터에 맞을 수 있지만, 초기 조건이 가우시안일 경우 통계적으로 불가능한 것으로 나타나, 관측된 공극과 높은 특이 속도를 고려할 때도 관용적 ΛCDM 모형에 도전한다.

ABSTRACT

Measurements of the SNe Ia Hubble diagram which suggest that the universe is accelerating due to the effect of dark energy may be biased because we are located in a 200-300 Mpc underdense which is expanding 20-30% faster than the average rate. With the smaller global Hubble parameter, the WMAP-5 data on cosmic microwave background anisotropies can be fitted without requiring dark energy if there is some excess power in the spectrum of primordial perturbations on 100 Mpc scales. The SDSS data on galaxy clustering can also be fitted if there is a small component of hot dark matter in the form of 0.5 eV mass neutrinos. We show however that if the primordial fluctuations are gaussian, the expected variance of the Hubble parameter and the matter density are far too small to allow such a large local void. Nevertheless many such large voids have been identified in the SDSS LRG survey in a search for the late-ISW effect due to dark energy. The observed CMB temperature decrements imply that they are nearly empty, thus these real voids too are in gross conflict with the concordance LCDM model. The recently observed high peculiar velocity flow presents another challenge for the model. Therefore whether a large local void actually exists must be tested through observations and cannot be dismissed a priori.

연구 동기 및 목표

• 지구 근처의 큰 밀도가 낮은 공극이 암흑 에너지를 도입하지 않고도 관측된 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있는지 테스트하기.
• WMAP-5 CMB 이질성 데이터와 SDSS 간성 군집 데이터가 수정된 초기 스펙트럼과 뜨거운 암흑 물질을 가진 공극 가설 하에서 어떻게 맞출 수 있는지 평가하기.
• 초기 조건이 가우시안일 경우 이러한 공극의 통계적 타당성을 평가하기.
• 관측된 대규모 공극과 높은 특이 속도 흐름을 관용적 ΛCDM 모형과 조율하기.

제안 방법

• 100 Mpc 척도에서의 초기 불안정성에 대한 초과 전력 가정 하에, 암흑 에너지를 포함하지 않고도 WMAP-5 우주 마이크파면 방사성 이질성 데이터의 피팅을 분석한다.
• 0.5 eV 질량의 중성자 성분을 뜨거운 암흑 물질로 포함한 공극 모형과 함께 SDSS 밝은 빨간 간성(LRG) 군집 데이터의 일관성을 테스트한다.
• 가우시안 랜덤 필드에서 허블 매개변수와 물질 밀도의 기대 분산을 평가하여 200–300 Mpc 크기의 밀도가 낮은 공극이 20–30% 더 빠른 팽창을 가질 가능성이 얼마나 되는지 평가한다.
• 이론적 예측인 공극에 기인한 허블 매개변수 변화를 CMB 온도 감소와 특이 속도 흐름의 관측 제약과 비교한다.
• 관측된 SDSS LRG 설문에서의 공극이 가우시안 초기 조건과 일치하는지 통계적 검정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WMAP-5 CMB 데이터를 사용하여 암흑 에너지를 필요로 하지 않고도 관측된 우주의 가속 팽창을 지역 공극으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 0.5 eV 질량의 뜨거운 암흑 물질 성분을 포함한 공극 모형이 SDSS 간성 군집 데이터를 어느 정도까지 맞출 수 있는가?
• RQ3 가우시안 초기 조건을 가정할 경우 200–300 Mpc 크기의 밀도가 낮은 공극가 발생할 가능성이 얼마나 높은가?
• RQ4 관측된 CMB 온도 감소가 공극과 관련된 것이며, ΛCDM 모형의 예측과 일치하는가?
• RQ5 높은 특이 속도 흐름은 관용적 ΛCDM 천체물리학을 도전하는가? 그리고 지역 공극으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 100 Mpc 척도에서의 초기 불안정성에 초과 전력이 있을 경우, WMAP-5 CMB 데이터는 암흑 에너지를 포함하지 않고도 피팅이 가능하다.
• SDSS 간성 군집 데이터는 뜨거운 암흑 물질 성분으로 0.5 eV 질량의 중성자를 포함한 공극 모형 하에서 피팅이 가능하다.
• 가우시안 초기 조건을 가정할 경우, 허블 매개변수와 물질 밀도의 기대 분산은 200–300 Mpc 크기의 공극이 20–30% 더 빠르게 팽창할 수 있도록 허용할 정도로 너무 작다.
• SDSS LRG 설문에서 관측된 대규모 공극은 거의 공허하며 CMB 온도 감소를 유도하지만, ΛCDM 모형과 심각한 갈등이 있다.
• 우주 전역에서 관측된 높은 특이 속도 흐름은 표준 모형을 추가로 도전하며, 이는 큰 지역 공극의 존재가 사전적으로 배제하기보다는 관측적으로 검증되어야 한다는 것을 시사한다.