[논문 리뷰] On astrophysical explanations due to cosmological inhomogeneities for the observational acceleration

Kenji Tomita|ArXiv.org|2009. 06. 07.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 타입 Ia 초신성 관측 데이터를 바탕으로 암흑 에너지의 대안으로서 비균일한 우주론적 모형—특히 국소적 공극 모형과 평균화된 배경 반작용 모형—이 관측된 우주의 팽창 가속을 설명할 수 있는지 평가한다. 일관성 검증 결과, CMB, BAO 및 운동학적 수인츠-젤도비치 효과 데이터와의 비교에서 대부분의 모형이 배제되며, 유일하게 타당한 파rameter 범위는 매우 좁으며, 우주론적 상수 없이도 가속을 유도하기 위해 상당한 펌진 크기 또는 중력 에너지 밀도가 필요하다는 결론을 도출한다.

ABSTRACT

We review various cosmological models with a local underdense region (local void) and the averaged models with the backreaction of inhomogeneities, which have been proposed to explain (without assuming a positive cosmological constant) the observed accelerating behaviors appearing in the magnitude-redshift relation of SNIa. To clarify their reality, we consider their consistency with the other observational studies such as CMB temperature anisotropy, baryon acoustic oscillation, kinematic Sunyaev-Zeldovich effect, and so on. It is found as a result that many inhomogeneous models seem to be ruled out and only models with the parametrs in the narrow range remain to be examined, and that, unless we assume very high amplitudes of perturbations or gravitational energies, the averaged models cannot have the accelerated expansion and the fitted effective Lambda has not the value necessary for the observed acceleration.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 비균일성, 예를 들어 국소적 낮은 밀도의 공극이 우주론적 상수를 도입하지 않고도 관측된 초신성의 등급-적색편이 관계를 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 국소적 공극 모형과 평균화된 배경 반작용 모형이 CMB 이질성, 은하의 기저 음향 진동(BAO), 운동학적 수인츠-젤도비치 효과 등 여러 독립적 관측 결과와 일관된지 테스트하기 위해.
• 비균일 모형에 적합시켜 유도된 효과적 우주론적 상수의 값이 실제로 가속을 유도하기 위해 필요한 관측값과 일치하는지 확인하기 위해.
• 특히 우주론적 상수가 없는 조건에서 현재 관측 데이터에 의해 제약을 받는 비균일 모형의 타당성을 검토하기 위해.
• 비균일 모형에서 효과적 가속을 유도하기 위해 중력 에너지나 고강도 펌진이 얼마나 중요한 역할을 하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 국소적 공극 영역이 중심에 있고 외곽에 과밀도 영역이 있는 구형 대칭 비균일 시공간을 모델링하기 위해 Lemaître-Tolman-Bondi(LTB) 해를 사용한다.
• 비균일 모형에서의 천정 거리(각지름 거리)를 계산하기 위해 Dyer-Roeder 방정식을 적용하여 SNIa에 대한 이론적 magnitude-redshift 관계를 유도한다.
• 비균일 모형에서 유도된 이론적 magnitude-redshift 관계를 관측된 관계와 비교하여 적합도를 평가한다.
• 후뉴턴 근사와 비선형 펌진 모형(예: 체다치즈 모형)을 사용하여 Λ를 포함한 FLRW 모형에 적합함으로써 효과적 우주론적 상수를 계산한다.
• 관측 데이터와의 일관성 검증을 수행한다: CMB 온도 이질성, BAO 척도 측정, 운동학적 수인츠-젤도비치 효과, 스펙트럼 왜곡.
• 공극, 벽, 팽창 영역 간의 중력 에너지 차이가 시계의 진도와 명백한 팽창 역학에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주론적 상수가 없는 우주에서 국소적 낮은 밀도의 공극이 어두운 에너지를 도입하지 않고도 타입 Ia 초신성의 관측된 magnitude-redshift 관계를 재현할 수 있는가?
• RQ2 우주론적 상수가 없는 우주에서 비균일성에 기인한 평균화된 배경 반작용 효과가 관측된 우주의 가속과 비교할 때 효과적 Λ는 어느 정도인가?
• RQ3 CMB, BAO 및 운동학적 수인츠-젤도비치 관측 결과가 국소적 공극 모형과 그 모수에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 비균일 모형을 ΛCDM 모형에 적합함으로써 필요한 효과적 우주론적 상수를 도출할 수 있으며, 그 과정에서 필요한 펌진 크기는 어느 정도인가?
• RQ5 비균일 모형에서 효과적 가속을 유도하기 위해 중력 에너지의 차이와 고강도 펌진이 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 많은 국소적 공극 모형이 CMB 온도 이질성, BAO 및 운동학적 수인츠-젤도비치 효과와의 일관성 검증에서 배제된다.
• 유일하게 타당한 모형은 특히 고강도 펌진 또는 상당한 중력 에너지 기여를 가진 경우에만 해당하는 매우 좁은 모수 범위에 국한된다.
• 하향 수준의 펌진이 있는 평균화된 배경 반작용 모형은 펌진 강도가 CMB 정규화 수준을 초월하지 않는 한 충분한 가속이나 필요한 효과적 Λ를 생성하지 못한다.
• 비균일 모형을 ΛCDM 모형에 적합시켜 도출된 효과적 Λ는 후뉴턴 근사에서 약 0.004에 불과하며, 관측된 값(약 0.75)에 비해 훨씬 낮아 일반적인 펌진으로서는 부족한 가속을 유도함을 시사한다.
• CMB 정규화 값보다 훨씬 큰 강도의 비선형 펌진 모형은 관측값과 유사한 효과적 Λ를 생성할 수 있지만, 그러한 높은 강도는 관측적으로 의심스럽다.
• 초수평 영역 버전의 국소적 공극 모형은 펌진 영역의 크기가 EdS 우주의 수평 반경과 유사할 경우에만 가속을 생성할 수 있으며, 일반적으로는 이 조건을 만족하지 못한다.