[論文レビュー] Dark Energy or Apparent Acceleration Due to a Relativistic Cosmological Model More Complex than FLRW?

Mustapha B. Ishak, James M. Richardson+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、通常はダークエネルギーに起因するとされる見かけの宇宙の加速が、相対論的宇宙論モデルにおける非一様な時空構造に起因する可能性があるかどうかを調査している。観測によって誘導された空間曲率関数を有するSzekeres非一様モデルを用いて、ダークエネルギーを必要とせずに超新星データ（χ² = 112）に競合するフィットを示した。これは、我々が低密度領域に位置していることが加速を模倣する可能性を示唆している。

ABSTRACT

We use the Szekeres inhomogeneous relativistic models in order to fit supernova combined data sets. We show that with a choice of the spatial curvature function that is guided by current observations, the models fit the supernova data almost as well as the LCDM model without requiring a dark energy component. The Szekeres models were originally derived as an exact solution to Einstein's equations with a general metric that has no symmetries and are regarded as good candidates to model the true lumpy universe that we observe. The null geodesics in these models are not radial. The best fit model found is also consistent with the requirement of spatial flatness at CMB scales. The first results presented here seem to encourage further investigations of apparent acceleration using various inhomogeneous models and other constraints from CMB and large structure need to be explored next.

研究の動機と目的

• 見かけの宇宙の加速—通常はダークエネルギーに起因するとされる—が、正確な非一様宇宙論モデルによって説明可能かどうかを検証すること。
• 対称性を持たない、不均一な宇宙をモデル化できるSzekeresモデルが、ダークエネルギーを仮定せずに超新星観測を再現できるかどうかを調査すること。
• 最良のフィットSzekeresモデルが、CMBスケールでの空間的平坦性および他の宇宙論的制約と整合するかどうかを評価すること。
• 標準的なFLRW＋ダークエネルギーのパラダイムに対する代替として、非一様モデルの広範な調査を開始すること。
• 柔軟な幾何学的性質を有するSzekeresモデルが、CMBスペクトルおよび大規模構造データを完全にフィットする可能性を評価すること。

提案手法

• アインシュタイン方程式の正確なSzekeres解を用い、キリングベクトル場を持たないため、真に非一様な宇宙をモデル化可能である。
• 曲率関数として k(r) = ˜k(r)r² を採用し、˜k(r) = -1/(1 + C²r²) と定義する。ここで C はデータにフィットする自由パラメータであり、大規模な r で空間曲率がゼロに近づき、小規模な r で負の値を取ることを保証する。
• 同時的大爆発を実現するため、tB(r) = 0 と設定し、標準的な宇宙論的座標選択と整合性を保つために M(r) = (sinh r)³ を採用する。
• Bolekjoら（2006a）が構造形成研究で使用したモデル-1パラメータセット {S, P, Q} = {140, 10, -113 ln(1 + r)} を採用する。
• 赤方偏移 z ≈ 1.449 までの一連の超新星データセットを、χ²最小化法を用いてモデルにフィットする。
• フィットの質（χ² = 112）を、Ωm = 0.27 および ΩΛ = 0.73 の標準的な平坦LCDMモデル（χ² = 105）と比較し、系統的不確実性を考慮した上で有意性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Szekeres非一様モデルは、ダークエネルギー成分を必要とせず、LCDMモデルと同等に超新星データにフィットできるか？
• RQ2 最良のフィットSzekeresモデルは、観測によって要請されるCMBスケールでの空間的平坦性を満たすか？
• RQ3 Szekeresのような非一様モデルが、宇宙定数ではなく、局所的な低密度効果によって見かけの宇宙の加速を説明できるか？
• RQ4 Szekeres幾何学における非線形効果が、標準的な摂動論的FLRWアプローチと比較して、明るさ距離などの観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 CMBおよび大規模構造データは、SzekeresモデルがLCDMの代替としての妥当性をどのように制約するか？

主な発見

• C = 0.80 を用いたSzekeresモデルは、赤方偏移 z = 1.449 までの超新星データにフィットした結果、χ² = 112 を達成し、データに競合するフィットを示した。
• このフィットは、Ωm = 0.27 および ΩΛ = 0.73 の標準的な平坦LCDMモデル（χ² = 105）と同等であり、この文脈ではダークエネルギーに顕著な統計的優位性がないことを示唆している。
• 曲率関数 ˜k(r) = -1/(1 + C²r²) により、大規模な r で空間曲率がゼロに近づくことが保証され、CMB観測による空間的平坦性と整合的である。
• モデルは局所的物質密度推定と整合的であり、小規模な r で曲率が負になることから、局所領域の低密度を反映している。
• モデルにダークエネルギーが存在しないことから、観測された加速は、不均一な宇宙の中の低密度領域に位置する我々の場所に起因する見かけの効果である可能性がある。
• 結果として、非一様性による見かけの加速の可能性が支持され、CMBおよび大規模構造の制約に関するさらなる調査が求められている。