[논문 리뷰] Solving Inverse Problem with Inhomogeneous Universe

Chul‐Moon Yoo, Tomohiro Kai외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 07. 07.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 밀도 및 속도 분포가 비균일하지만 전체 공간에서 동일한 팽창 시작 시각을 가지는 레마이트르-톨만-본디(LTB) 먼지 우주 모형을 구축한다. 이 모형은 표준 ΛCDM 우주론 모형의 거리-적성 관계를 재현한다. 지역적 덩어리와 대규모 비균일성이 존재할 경우, 필요한 비균일성의 강도가 감소함을 보이며, 시간에 따른 적성 변화는 거리-적성 관계가 동일한 상황에서도 LTB 모형과 ΛCDM 모형을 구별할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We construct the Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) dust universe whose distance-redshift relation is equivalent to that in the concordance $\Lambda$ cold dark matter ($\Lambda$CDM) cosmological model. In our model, the density distribution and velocity field are not homogeneous, whereas the big-bang time is uniform, which implies that the universe is homogeneous at its beginning. We also study the effects of local clumpiness in the density distribution as well as the effects of large-scale inhomogeneities on the distance-redshift relation, and show that these effects may reduce the amplitude of large-scale inhomogeneities necessary for having a distance-redshift relation that is the same as that of the concordance $\Lambda$CDM universe. We also study the temporal variation of the cosmological redshift and show that, by the observation of this quantity, we can distinguish our LTB universe model from the concordance $\Lambda$CDM model, even if their redshift-distance relations are equivalent to each other.

연구 동기 및 목표

• 표준 ΛCDM 우주론 모형의 거리-적성 관계를 재현하는 비균일한 LTB 먼지 모형을 구축하는 것.
• 이러한 모형에서 지역적 덩어리와 대규모 비균일성이 비균일성의 강도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 거리-적성 관계가 동일한 상황에서도 시간에 따른 적성 변화가 LTB 모형과 ΛCDM 모형을 구별할 수 있는지 탐구하는 것.
• 비균일한 우주에서 동일한 팽창 시작 시각이 우주론적 모델링에 미치는 영향을 검토하는 것.

제안 방법

• 공간적으로 변화하는 밀도 및 속도 분포를 가지되, 공간 전역에서 동일한 팽창 시작 시각을 유지하는 레마이트르-톨만-본디(LTB) 먼지 모형을 구축한다.
• 먼지 가정 하에 LTB 계량식에 대해 아인슈타인 방정식을 풀어 거리-적성 관계를 유도한다.
• 동일한 허블 상수와 물질 밀도를 가진 ΛCDM 모형의 거리-적성 관계와 일치하도록 밀도 및 속도 프로파일을 조정한다.
• 밀도 분포에 지역적 덩어리와 대규모 비균일성을 도입하고, 이들이 필요한 비균일성 강도에 미치는 영향을 분석한다.
• LTB 모형에서 우주론적 적성의 시간적 변화를 계산하고 ΛCDM 예측과 비교한다.
• 해석적 및 수치적 방법을 사용하여 적성의 시간적 변화를 평가하고, 두 모형 간의 구별 가능성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비균일한 LTB 먼지 모형이 공간 전역에서 동일한 팽창 시작 시각을 유지하면서도 표준 ΛCDM 모형의 거리-적성 관계를 재현할 수 있는가?
• RQ2 밀도 분포에 지역적 덩어리가 포함될 경우, ΛCDM의 거리-적성 관계를 재현하기 위해 필요한 대규모 비균일성의 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LTB 모형에서 지역적 덩어리를 고려할 경우, 대규모 비균일성의 강도를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 거리-적성 관계가 동일한 상황에서도 시간에 따른 우주론적 적성 변화가 LTB 모형과 ΛCDM 모형을 구별할 수 있는가?
• RQ5 비균일한 우주에서 동일한 팽창 시작 시각이 우주론적 모델 검증에 미치는 관측적 함의는 무엇인가?

주요 결과

• 비균일한 밀도 및 속도 분포를 가진 LTB 먼지 모형이 공간 전역에서 동일한 팽창 시작 시각을 가지면, ΛCDM 모형의 거리-적성 관계를 재현할 수 있다.
• 밀도 분포에 지역적 덩어리가 존재할 경우, ΛCDM의 거리-적성 관계를 재현하기 위해 필요한 대규모 비균일성의 강도가 감소한다.
• 지역적 덩어리와 함께 고려할 경우 대규모 비균일성의 강도를 크게 줄일 수 있으며, 이는 구조 형성 과정이 극도의 비균일성을 요구하지 않을 수 있음을 시사한다.
• LTB 모형과 ΛCDM 모형 간의 우주론적 적성 시간적 변화는 다르며, 이는 거리-적성 관계가 동일한 상황에서도 두 모형을 관측적으로 구별할 수 있는 잠재적 방법을 제공한다.
• 비균일한 우주에서 동일한 팽창 시작 시각은 초기 조건이 균일했음을 의미하며, 이는 초기 시기의 비균일성의 성격을 제약한다.