[논문 리뷰] The Role of Anisotropy in the Void Models without Dark Energy

Masayuki Tanimoto, Yasusada Nambu외 1명|ArXiv.org|2009. 06. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비등방성 공극 모델이 어두운 에너지의 대안이 될 수 있는지를 조사한다. 비등방성 시공간에서 광학 스칼라 방정식을 각도 평균화하여 효과적인 거리 방정식을 유도한다. 유도된 방정식은 레마트르-톨먼-본디 모델의 다이어-로더 유사 확장과 유사하며, 수치 분석 결과 비등방성이 더 작은 공극과 더 높은 물질 밀도 파라미터($\Omega_m$)가 타입 Ia 초신성 데이터에 더 잘 맞는 데 기여한다.

ABSTRACT

Void models provide a possible explanation of the "accelerated expansion" of the Universe without dark energy. To make the conventional void models more realistic, we allow the void, an underdense region around us, to be anisotropic and consider an average of the distance-redshift relations over the solid angle subtended at the observer. We first show that after taking the average of a form of the optical scalar equation (distance equation), the effective distance equation we obtain coincides with the one for the Lemaitre-Tolman-Bondi universe with a Dyer-Roeder-like extension. We then numerically solve the equation to compare with observational data of Type Ia supernovae. We find that anisotropy allows smaller size of void and larger Omega_m.

연구 동기 및 목표

• 물질 분포의 천체 물리적 비등방성을 포함함으로써 등방성 공극 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 비균일성과 비등방성을 고려한 빛의 전파를 반영하는 물리적으로 타당한 효과적 거리 방정식을 유도하기 위해.
• 비등방성 공극 모델이 어두운 에너지를 도입하지 않고도 타입 Ia 초신성 거리-적색편이 데이터를 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 비등방성이 공극의 필요 크기와 물질 밀도 파라미터 $\Omega_m$에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 현상학적으로 도입하는 대신 원리에서 유도된 효과적 비균일성 인자로 다이어-로더 접근을 일반화하는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 비균일하고 비등방성 시공간에 대해 광학 스칼라 방정식을 유도하며, 렌즈 효과는 무시 가능하다고 가정한다.
• 과거 빛의 경로에 대해 구형 평균을 적용하여 관측 비교에 적합한 효과적 형태의 거리 방정식을 도출한다.
• 평균화된 방정식이 평균 밀도 $\alpha(z)\rho_{\text{LTB}}$를 갖는 레마트르-톨먼-본디 모델로 축소됨을 보여준다. 여기서 $\alpha(z)$는 평균화 과정에서 자연스럽게 유도된다.
• $\alpha(z)$를 공간적 비균일성과 비등방성에 의한 팽창률과 밀도의 복합 효과를 담는 함수로 간주한다.
• 특정 공극 모델에 대해 효과적 거리 방정식을 수치적으로 해석하고, 관측된 타입 Ia 초신성 데이터와 빛의 세기 거리 간의 비교를 수행한다.
• 파arameter 공간 탐색을 수행하여 비등방성 모델 하에서 초신성 데이터에 가장 잘 맞는 공극 크기와 $\Omega_m$의 최적값을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질 분포의 각도 비등방성이 공극 모델의 거리-적색편이 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공극 구조의 비등방성이 어두운 에너지를 요구하지 않고도 타입 Ia 초신성 데이터에 더 잘 맞출 수 있는가?
• RQ3 비등방성이 공극의 필요 크기와 물질 밀도 파라미터 $\Omega_m$의 값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유도된 효과적 거리 방정식은 표준 다이어-로더 및 레마트르-톨먼-본디 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비등방성 시공간에서 효과적 비균일성 인자 $\alpha(z)$는 현상학적으로 도입하는 대신 원리에서 유도될 수 있는가?

주요 결과

• 비등방성 시공간에서 광학 스칼라 방정식을 평균화하여 유도된 거리 방정식은 다이어-로더 유사 수정을 가한 레마트르-톨먼-본디 모델과 동치인 형태로 축소된다.
• 비등방성은 여전히 타입 Ia 초신성 데이터에 잘 맞추기 위해 등방성 모델보다 더 작은 공극 크기를 허용한다.
• 비등방성 공극 모델에서는 등방성 모델보다 더 큰 물질 밀도 파라미터 $\Omega_m$를 가질 수 있으며, 모델은 더 높은 $\Omega_m$ 값을 선호한다.
• 효과적 비균일성 인자 $\alpha(z)$는 평균화 절차에서 자연스럽게 유도되어 $\beta_M(z)$와 같은 임의의 현상학적 함수를 도입할 필요가 없다.
• 모델는 비등방성이 빛의 경로를 따라 효과적 팽창률을 높여 어두운 에너지 효과를 모방함으로써 어두운 에너지를 요구하지 않음을 보여준다.
• 미래 연구에서는 CMB와 복사성 간격 진동 데이터를 포함하는 것이 바람직하며, 이는 적색편이에 의존하는 $\alpha(z)$ 함수가 필요할 수 있음을 시사한다.