[논문 리뷰] Redshift and redshift-drift in $\Lambda = 0$ quasi-spherical Szekeres cosmological models and the effect of averaging

Priti Mishra, Marie-Noëlle Célérier|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 20.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다크 에너지가 없는 일반적인 준구형 세케레스(QSS) 모델에 대해 적색편이 및 적색편이-드리프트 방정식을 유도하고, 이를 보렐조-수스만(BSQSS) 모델에 적용한다. 연구 결과, BSQSS 모델은 관측되지 않는 천체적 청색편이를 예측하므로 물리적으로 타당하지 않으며, 이로 인해 기각된다. 반면, 이러한 모델을 평균화하면 ΛCDM 모델과 구별 가능한 물리적으로 타당한 대안을 도출할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Since the advent of the accelerated expanding homogeneous universe model, some other explanations for the supernova Ia dimming have been explored, among which there are inhomogeneous models constructed with exact $\Lambda = 0$ solutions of Einstein's equations. They have been used either as one patch or to build Swiss-cheese models. The most studied ones have been the Lema\^itre-Tolman-Bondi (LTB) models. However, these models being spatially spherical, they are not well designed to reproduce the large scale structures which exhibit clusters, filaments and non spherical voids. This is the reason why Szekeres models, which are devoid of any symmetry, have recently come into play. In this paper, we give the equations and an algorithm to compute the redshift-drift for the most general quasi-spherical Szekeres (QSS) models with no dark energy. We apply it to a QSS model recently proposed by Bolejko and Sussman (BSQSS model) who averaged their model to reproduce the density distribution of the Alexander and collaborators' LTB model which is able to fit a large set of cosmological data without dark energy. They concluded that their model represents a significant improvement over the observed cosmic structure description by spherical LTB models. We show here that this QSS model is ruled out by a negative cosmological redshift, i.e. a blueshift, which is not observed in the Universe. We also compute a positive redshift and the redshift-drift for the Alexander et al.'s model and compare this redshift-drift to that of the $\Lambda$CDM model. We conclude that the process of averaging an unphysical QSS model can lead to obtain a physical model able to reproduce our observed local Universe with no dark energy need and that the redshift-drift can discriminate between this model and the $\Lambda$CDM model. For completeness, we also compute the blueshift-drift of the BSQSS model.

연구 동기 및 목표

• 다크 에너지가 없는 준구형 세케레스(QSS) 모델에 대한 일반적인 적색편이 및 적색편이-드리프트 방정식 유도.
• 이 방정식들을 보렐조-수스만(BSQSS) 모델에 적용하며, 이는 앨렉산더 등이 제시한 LTB 유사 밀도 프로파일을 재현하는 공간 평균 QSS 모델이다.
• 평균화 과정이 물리적으로 비타당한 특성(예: 청색편이)을 물리적으로 수용 가능한 것으로 전환하는지 테스트하는 것.
• 평균화된 BSQSS 모델의 적색편이-드리프트와 앨렉산더 등이 제시한 LTB 모델의 적색편이-드리프트를 ΛCDM 모델과 비교하는 것.
• 작은 신호 진폭에도 불구하고, 적색편이-드리프트가 비균일 모델과 ΛCDM 모델을 구별하는 데의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 먼저, 먼지만을 고려한 아인슈타인 방정식의 정확한 해를 사용하여, 가장 일반적인 준구형 세케레스(QSS) 모델에서 적색편이 및 적색편이-드리프트에 대한 미분방정식을 유도한다.
• QSS 기하학에서 광선적 경로를 따라 적색편이 및 적색편이-드리프트 방정식을 적분하기 위한 수치 알고리즘을 개발한다.
• 이 알고리즘을 앨렉산더 등이 제시한 LTB 모델의 밀도 프로파일을 모방하도록 설계된 공간 평균 QSS 모델인 BSQSS 모델에 적용한다.
• 일관된 수치 방법을 사용하여 BSQSS 모델과 원래의 앨렉산더 등이 제시한 LTB 모델의 적색편이 및 적색편이-드리프트를 계산한다.
• 결과적으로 도출된 적색편이-드리프트 곡선을 ΛCDM 모델의 곡선과 비교하여 구별 가능성 평가.
• 미래의 기기인 CODEX/EXPRESSO 및 DECIGO/BBO를 사용한 적색편이-드리프트 신호의 측정 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보렐조-수스만 준구형 세케레스 모델(BSQSS)은 천체적 적색편이를 예측하는가 아니면 청색편이를 예측하는가? 이는 관측 결과와 일치하는가?
• RQ2 공간 평균화 과정이 물리적으로 비타당한 QSS 모델(청색편이 포함)을 물리적으로 타당한 천체 모델로 전환할 수 있는가?
• RQ3 평균화된 BSQSS 모델의 적색편이-드리프트는 ΛCDM 모델과 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고적색편이(z > 2)에서의 적색편이-드리프트 측정치는 평균화된 QSS 모델과 ΛCDM 모델을 구별할 수 있는가?
• RQ5 BSQSS 모델 및 앨렉산더 등이 제시한 모델에서의 적색편이-드리프트 신호의 예상 진폭은 얼마이며, 향후 기기로 측정 가능한가?

주요 결과

• BSQSS 모델은 천체적 청색편이(음성 적색편이)를 예측하며, 이는 우주에서 관측되지 않기 때문에 물리적으로 타당하지 않다는 점에서 기각된다.
• 평균화 과정은 BSQSS 모델의 물리적으로 비타당한 청색편이를 관측 결과와 일치하는 물리적으로 타당한 적색편이로 전환한다.
• 작은 신호 진폭에도 불구하고, 평균화된 BSQSS 모델의 적색편이-드리프트는 원칙적으로 ΛCDM 모델과 구별 가능하다.
• 앨렉산더 등이 제시한 LTB 모델의 적색편이-드리프트 신호는 양이며 매우 작으며, z ∼ 0.085에서 10년 간 변화량이 |δz| ∼ 2.10−11 정도이다.
• BSQSS 모델의 적색편이-드리프트 신호 역시 매우 작아, 현재 또는 근래의 기기인 CODEX/EXPRESSO로는 측정 불가능하다.
• 본 연구는 QSS 기반의 더 복잡하고 비대칭적인 스위스치즈 모델이 고적색편이(z > 2)에 도달하고 측정 가능한 신호를 생성할 경우, 원칙적으로 적색편이-드리프트를 통해 검증 가능할 수 있음을 시사한다.