[논문 리뷰] Looking the void in the eyes - the kSZ effect in LTB models

J. García-Bellido, Troels Haugboelle|ArXiv.org|2008. 07. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 22인용 수 69

한 줄 요약

이 논문은 암흑 에너지가 아닌 대규모 저밀도 공극(비어 있는 영역)이 우주적 팽창 가속의 원인일 수 있다는 Lemaître-Tolman-Bondi (LTB) 공극 모델을 탐구하기 위해 운동학적 Sunyaev-Zeldovich (kSZ) 효과를 사용한다. kSZ 관측은 중심에서 벗어난 은하단에서 유도되는 엄격한 제약 조건을 제공하며, 현재 데이터로는 기가파섹(Gpc) 크기의 공극을 높은 유의수준에서 배제하고 있으며, 향후 조사가 이러한 모델을 확정적으로 확인하거나 배제할 것으로 예측된다.

ABSTRACT

As an alternative explanation of the dimming of distant supernovae it has recently been advocated that we live in a special place in the Universe near the centre of a large void described by a Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) metric. The Universe is no longer homogeneous and isotropic and the apparent late time acceleration is actually a consequence of spatial gradients in the metric. If we did not live close to the centre of the void, we would have observed a Cosmic Microwave Background (CMB) dipole much larger than that allowed by observations. Hence, until now it has been argued, for the model to be consistent with observations, that by coincidence we happen to live very close to the centre of the void or we are moving towards it. However, even if we are at the centre of the void, we can observe distant galaxy clusters, which are off-centre. In their frame of reference there should be a large CMB dipole, which manifests itself observationally for us as a kinematic Sunyaev-Zeldovich (kSZ) effect. kSZ observations give far stronger constraints on the LTB model compared to other observational probes such as Type Ia Supernovae, the CMB, and baryon acoustic oscillations. We show that current observations of only 9 clusters with large error bars already rule out LTB models with void sizes greater than approximately 1.5 Gpc and a significant underdensity, and that near future kSZ surveys like the Atacama Cosmology Telescope, South Pole Telescope, APEX telescope, or the Planck satellite will be able to strongly rule out or confirm LTB models with giga parsec sized voids. On the other hand, if the LTB model is confirmed by observations, a kSZ survey gives a unique possibility of directly reconstructing the expansion rate and underdensity profile of the void.

연구 동기 및 목표

• 초신성의 어두워짐 현상을 암흑 에너지가 아닌 LTB 공극 모델로 설명할 수 있는지 검증하기 위해
• 이심지 은하단이 큰 kSZ 신호를 나타내야 한다는 점을 감안할 때, 관측된 CMB 이질도가 국소적 공극 모델과 일치하는지 평가하기 위해
• 공극의 크기와 저밀도 정도 같은 매개변수를 제약 조건으로 삼는 데 있어 kSZ 관측의 능력을 평가하기 위해
• 향후 kSZ 조사(Act, SPT, Planck)가 LTB 공극 모델을 확인하거나 배제하는 데 얼마나 민감한지 예측하기 위해

제안 방법

• 균일한 대폭발(GBH)을 가정하여 자유 매개변수를 줄이기 위해, 구형 대칭의 비균일한 물질 분포를 가진 LTB 계량을 모델링하기 위해
• 공극 내 비균일한 팽창으로 인해 광선 경로의 차이로 인해 중심에서 벗어난 은하단의 고정 프레임에서 CMB 이질도를 계산하기 위해
• CMB 고정 프레임에 대한 은하단의 명백한 속도를 유도하며, 이는 마이크파형 배경 이질도에서 감지 가능한 kSZ 효과를 유도하기 위해
• 큰 오차 범위를 가진 9개의 은하단에서의 현재 kSZ 데이터를 사용하여 공극 매개변수, 특히 반경과 내부 밀도 대비를 제약 조건으로 삼기 위해
• kSZ 조사(Act, SPT, APEX, Planck)의 향후 민감도를 예측하여 다양한 크기의 공극을 감지하거나 배제할 수 있는지 평가하기 위해
• kSZ 제약 조건을 초신성 Ia, BAO, CMB의 기존 데이터와 조합하여 모델 일관성을 테스트하기 위해

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SNe Ia나 CMB 이질도와 같은 다른 천체물리적 탐사 수단에 비해 kSZ 효과가 LTB 공극 모델에 대해 더 강력한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 현재 kSZ 관측 결과를 바탕으로 LTB 모델에서 허용 가능한 최대 공극 반경은 얼마인가?
• RQ3 ACT와 SPT와 같은 향후 kSZ 조사가 기가파섹 크기의 공극을 어떻게 배제할 수 있는가?
• RQ4 kSZ 데이터를 다른 데이터 세트와 조합했을 때, GBH 제약 조건이 적용된 LTB 모델이 얼마나 강하게 배제되는가?
• RQ5 만약 LTB 모델이 확인된다면, kSZ 조사는 공극의 팽창 속도와 저밀도 프로파일을 직접 재구성할 수 있는가?

주요 결과

• 큰 오차 범위를 가진 9개의 은하단에서의 현재 kSZ 관측 결과는 약 1.5 Gpc가 넘는 공극과 상당한 저밀도를 가진 LTB 모델을 이미 배제하고 있다.
• kSZ 데이터를 SNe Ia, BAO, CMB 데이터와 조합했을 때, 제약 조건이 가해진 LTB 모델은 3-σ 수준에서 실질적으로 배제되고 있다.
• 작은 공극(r₀ ≤ 800 Mpc)은 현재 kSZ 데이터로는 제약 조건이 없으며, 샘플 내 최저 적색편이를 가진 은하단에 영향을 주지 않기 때문이다.
• 10개의 잘 관측된 은하단이 있는 향후 조사에서는 800 Mpc 반경의 공극을 3-σ 수준에서 배제할 수 있으며, 100개의 은하단이 있으면 이 범위가 500 Mpc 반경까지 확장된다.
• 만약 LTB 모델이 확인된다면, kSZ 조사는 공극의 밀도와 팽창 속도 프로파일을 직접 재구성할 수 있는 고유한 직접적 방법을 제공할 것이다.
• kSZ 효과는 다른 탐사 수단보다 공극의 구조에 대해 더 민감한 감도를 보이며, LTB 공극 모델을 제약 조건으로 삼는 데 가장 강력한 관측 수단으로 확인되었다.