[논문 리뷰] Cosmological backreaction and spatially averaged spatial curvature

Eran Rosenthal, Éanna É. Flanagan|ArXiv.org|2008. 09. 11.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 소스케일 밀도 불균일성으로 인한 천체역학적 반작용이 관측된 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있는지 조사한다. 저자는 저적색도에서 공간 곡률이 증가하는 단순 모형을 사용한다. 분석 결과 이러한 모형은 일반적으로 CMB 관측 결과와 충돌한다 — 특히 첫 번째 도플러 피크의 위치에서 발생하는 음파 반경의 이동으로 인해, 특별히 정교하게 조정된 물리적으로 비현실적인 저적색도에서의 곡률 증가가 발생하지 않는 한 대부분의 매개변수 영역은 배제된다.

ABSTRACT

It has been suggested that the accelerated expansion of the Universe is due to backreaction of small scale density perturbations on the large scale spacetime geometry. While evidence against this suggestion has accumulated, it has not yet been definitively ruled out. Many investigations of this issue have focused on the Buchert formalism, which computes spatial averages of quantities in synchronous comoving gauge. We argue that, for the deceleration parameter of this formalism to agree with observations, the spatial average of the three dimensional Ricci scalar (spatial curvature) must be large today, with an $Ω_k$ in the range of $1 \le Ω_k \le 1.3$. We argue that this constraint is difficult to reconcile with observations of the location of the first Doppler peak of the CMBR. We illustrate the argument with a simple toy model for the effect of backreaction, which we show is generically incompatible with observations.

연구 동기 및 목표

• 어두운 에너지 없이도, 대규모 기하학에 대한 비균일성의 반작용이 관측된 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있는지 평가하기.
• 관측 결과와 일치하는 효과적인 감속 계수를 예측할 수 있는 부흐베르트 형식의 타당성 평가하기.
• 저적색도에서 증가하는 공간 곡률을 가진 단순 모형이 초신성 및 CMB 데이터를 재현할 수 있는지 테스트하기.
• 관측 결과와 일치시키기 위해 필요한 공간 평균 3차원 리만 스칼라(곡률)의 제약 조건 도출하기.

제안 방법

• 저적색도에서 공간 평균 3차원 리만 스칼라(곡률)가 증가하도록 단순 모형을 구성하여 가속 팽창을 유도한다.
• 부흐베르트 형식을 사용해 효과적인 우주론적 매개변수를 계산하며, 공간 평균의 아인슈타인 방정식에서 유도된 효과적인 밀도 및 압력 포함.
• 단순 모형에서 천체적 각지름 거리와 탈결합 시 음파 반경을 유도하고, ΛCDM 예측과 비교한다.
• 단순 모형과 ΛCDM 간 CMB 스펙트럼의 각도 척도 비율을 평가하여 관측적 이질성을 탐지한다.
• 표준시계에 대한 적색이 흐름이 비단조화적이게 되는 매개변수 영역을 식별하여 비물리적 행동을 경고한다.
• 관측 결과와 일치하거나 일치하지 않는 영역을 매핑하기 위해 (H₀η̄, w) 매개변수 공간의 수치적 탐색 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스케일 비균일성의 반작용이 관측된 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있도록 충분히 음의 효과적인 감속 계수를 생성할 수 있는가?
• RQ2 부흐베르트 형식이 관측된 가속 팽창을 재현하기 위해 필요한 공간 평균 공간 곡률(Ωₖ)의 범위는 무엇인가?
• RQ3 반작용 기반 모형은 ΛCDM에 비해 탈결합 시 음파 반경을 어떻게 변화시키며, CMB 스펙트럼 피크에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CMB 관측 결과, 특히 첫 번째 도플러 피크의 위치와 조화를 이룰 수 있는 단순 모형의 매개변수 선택은 무엇인가?
• RQ5 모형은 비단조화적인 적색이 표준시계에 대해 나타나는 비물리적 행동을 보이며, 이 문제는 매개변수 공간에서 얼마나 광범위하게 발생하는가?

주요 결과

• 부흐베르트 형식이 관측 결과와 일치하는 감속 계수를 도출하기 위해 공간 평균 3차원 리만 스칼라가 Ωₖ ∈ [1, 1.3] 범위여야 한다.
• 단순 모형은 일반적인 매개변수에서 탈결합 시 음파 반경의 이동을 예측하여, 첫 번째 CMB 피크의 각도 척도에서 1% 이상의 이질성을 유도한다.
• CMB 각도 척도 이질성을 상쇄시킬 수 있는 유일한 좁은 매개변수 영역은 w ≈ 0.8 및 H₀η̄ ≈ -0.8이지만, 이는 z ≈ 1에서 비물리적인 곡률 증가를 요구한다.
• 매개변수 공간의 상당 부분에서 표준시계에 대한 적색이 비단조화적으로 나타나 비물리적 행동을 보임을 확인하였다.
• 특정 매개변수에서 탈결합 시 천체적 각지름 거리가 ΛCDM와 일치하더라도 음파 반경은 다르게 되어 CMB 스펙트럼에서 관측 가능한 괴리가 발생한다.
• 연구는 반작용 모형이 저적색도에서 매우 비현실적이거나 관측되지 않은 곡률 진화를 도입하지 않는 한 일반적으로 CMB 관측 결과와 호환되지 않는다고 결론 내린다.