[논문 리뷰] The Cosmic Microwave Background in an Inhomogeneous Universe - why void models of dark energy are only weakly constrained by the CMB

Chris Clarkson, Marco Regis|arXiv (Cornell University)|2010. 07. 20.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 78인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 비균일 우주론에서 구형 대칭 공극 모델이 어두운 에너지의 대안으로서 가능함을 조사하며, 복사 역학이 적절히 포함될 경우 이러한 모델이 정밀 조정 없이도 CMB 스펙트럼을 잘 맞출 수 있음을 보여준다. 주요 결과는 비균일한 복사 진화가 공극 중심에서 온도 및 비율 스케일링에 결정적인 역할을 하므로, CMB 데이터에 의해 공극 모델이 약하게 제약을 받는다는 것이다.

ABSTRACT

The dimming of Type Ia supernovae could be the result of Hubble-scale inhomogeneity in the matter and spatial curvature, rather than signaling the presence of a dark energy component. A key challenge for such models is to fit the detailed spectrum of the cosmic microwave background (CMB). We present a detailed discussion of the small-scale CMB in an inhomogeneous universe, focusing on spherically symmetric `void' models. We allow for the dynamical effects of radiation while analyzing the problem, in contrast to other work which inadvertently fine tunes its spatial profile. This is a surprisingly important effect and we reach substantially different conclusions. Models which are open at CMB distances fit the CMB power spectrum without fine tuning; these models also fit the supernovae and local Hubble rate data which favours a high expansion rate. Asymptotically flat models may fit the CMB, but require some extra assumptions. We argue that a full treatment of the radiation in these models is necessary if we are to understand the correct constraints from the CMB, as well as other observations which rely on it, such as spectral distortions of the black body spectrum, the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect or the Baryon Acoustic Oscillations.

연구 동기 및 목표

• 공극 모델(우주의 가속이 어두운 에너지가 아니라 대규모 비균일성에서 기인하는 모델)이 우주 마이크파배경(CMB) 스펙트럼을 일관되게 맞출 수 있는지 평가하기 위해.
• 특히 소규모 스케일에서 비균일한 LTB 모델에서 복사 역학의 진동수에 따른 CMB 이방성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 이전 연구에서 사용된 정밀 조정된 공간 프로파일 가정을 도전하기 위해, 복사 효과가 제약 조건을 크게 변화시킴을 보여주기 위해.
• 점점 평탄한 공극 모델이 CMB 데이터를 맞출 수 있는지, 아니면 CMB 적색편이에서 열린 기하학이 필요로 하는지 평가하기 위해.
• 스펙트럼 왜곡, 운동학적 수냐예프-젤도비치 효과, 그리고 핵합성 진동 등 다른 관측 결과에 대한 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 공간적 곡률, 물질 밀도, 허블 상수의 공간적 변동을 포함하는 비균일한 공극을 기술하기 위해 구형 대칭 레마트르-톨먼-본디(LTB) 모델을 사용한다.
• 이전 연구에서 사용된 고정된 복사 프로파일 가정을 피하기 위해, 지오데식 방정식과 온도 진화에 복사의 전체 역학을 통합한다.
• 공극 중심에서 스케일링 법칙 $ T \propto 1/a^{n} $을 적용하여 비-FLRW 복사 진화를 모델링하며, $ \hat{a} $는 공극 지배 팽창으로의 전환을 나타낸다.
• 초기 시점에서의 비율 $ \eta^{(\text{in})} $를 $ \eta_{0}^{(\text{in})} \simeq \hat{a}^{3(1-n)} \eta_{*}^{(\text{in})} $ 를 사용하여 계산하며, 이는 초기 핵합성 제약 조건과 연결된다.
• 소규모 물리가 비균일성에 민감한 $ \ell \sim 1000 $ 범위에 집중하여 CMB 각지수 스펙트럼을 제약 조건으로 사용한다.
• 초기 시점의 초신성 거리 모듈러스, 국지적 허블 상수, CMB 온도 이방성과 같은 관측 데이터와 비교하여 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허블 스케일의 비균일성과 함께 공극 모델이 공간 프로파일을 정밀 조정 없이 관측된 CMB 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ2 복사 역학의 동적 진화를 포함할 경우 공극 중심에서의 온도 및 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 점점 평탄한 공극 모델은 CMB를 맞출 수 있는가, 아니면 CMB 적색편이에서 열린 기하학이 일관성을 확보하기 위해 필요한가?
• RQ4 CMB 관측은 비균일 모델에서 복사 프로파일과 그 진화에 대해 어떤 제약을 둔다?
• RQ5 운동학적 수냐예프-젤도비치 효과 및 기타 CMB 연관 관측치는 공극 모델에서 가정된 복사 프로파일에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• CMB 탈리플로우 시점에 열린 기하학을 가진 모델은 복사 역학을 포함하더라도 정밀 조정 없이 CMB 스펙트럼을 잘 맞춘다.
• 공극 중심에서의 비율 $ \eta_{0}^{(\text{in})} \simeq \hat{a}^{3(1-n)} \eta_{*}^{(\text{in})} $ 로 진화하며, 이는 표준 모델에 비해 초기 시점의 값이 크게 감소함을 의미한다.
• 공극 중심에서 비-FLRW 복사 스케일링($ n \neq 1 $)은 효과적인 $ \eta^{(\text{in})} $ 를 낮추며, $ \Omega_m^{(\text{in})} $ 또는 $ f_b $ 를 조정할 경우 7Li 핵합성 제약과도 일치할 수 있다.
• 복사가 공극 지배 팽창 전환 시기 동안 열등하므로, 우주의 연령은 중심에서 약간만 영향을 받는다.
• 복사 프로파일에 의해 영향을 받는 CMB 탈리플로우 온도 $ T_*^{(\text{in})} $ 와 동등성 적색편이 $ z_{\text{eq}}^{(\text{in})} $ 는 변화하지만, 이는 독립적인 제약 조건이 아니다. 이는 사후적으로 결정된다.
• 운동학적 수냐예프-젤도비치 효과 및 기타 CMB 관측치는 물질 비균일성보다 복사 비균일성에 더 민감할 수 있으며, 이는 데이터에 의해 복사 프로파일이 선택될 수 있고, 따라서 공극 모델이 배제되지 않을 수 있음을 시사한다.