[論文レビュー] Light-cone observations and cosmological models: implications for inhomogeneous models mimicking dark energy

Edward W. Kolb, Callum R. Lamb|ArXiv.org|Nov 19, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、$Λ$CDMモデルの正確な光度距離と光錐質量密度を再現する球対称で非一様なLTBモデルを構築し、宇宙定数を必要とせずに非一様性がダークエネルギーを模倣できることを示している。主な発見は、標準的な観測量だけでは宇宙論的モデルを一意に特定できないことであり、均一性が緩和された場合にダークエネルギーが必須であるという仮定に疑問を呈している。

ABSTRACT

Cosmological observables are used to construct cosmological models. Since cosmological observations are limited to the light cone, a fixed number of observables (even measured to arbitrary accuracy) may not uniquely determine a cosmological model without additional assumptions or considerations. A prescription for constructing a spherically symmetric, inhomogeneous cosmological model that exactly reproduces the luminosity-distance as a function of redshift and the light-cone mass density as a function of redshift of a $Λ$CDM model is employed to gain insight into how an inhomogeneous cosmological model might mimic dark energy models.

研究の動機と目的

• 非一様な宇宙論的モデルがダークエネルギーを導入せずに、$Λ$CDMモデルの観測された光度距離および質量密度を再現できるかどうかを調査すること。
• 観測が1つの時空超曲面に制限される以上、光錐観測のみで宇宙論的モデルを一意に特定できるかどうかを評価すること。
• 非一様性が同様の観測的シグネチャーを生じさせられることを示すことにより、ダークエネルギーが宇宙論に必須であるという仮定に挑戦すること。
• 非一様な宇宙論における平均化手続きや有効状態方程式パラメータの限界を調査すること。

提案手法

• 基準となる$\Lambda$CDMモデルの光度距離$d_L(z)$を再現するように、特定の径方向非一様性プロファイルを持つ球対称レマイトル＝トレルマン＝ボンディ（LTB）モデルを構築する。
• 時空間依存の径方向密度プロファイルを用いて、$\Lambda$CDMモデルの光錐質量密度$\hat{\rho}(z)$を満たすようにアインシュタイン方程式を解く。
• アインシュタインテンソルの$00$成分とエネルギー運動量テンソルを用いて、非一様モデルにおける膨張率$H(z)$を導出する。
• 得られた観測量を$\Lambda$CDMモデルのものと比較し、非一様モデルがダークエネルギーをどれほどうまく模倣できるかを評価する。
• 2種類の異なる平均化処理を適用し、有効状態方程式パラメータを計算し、それらの物理的意味の有無を検証する。
• 非一様な観測を解釈する際の特異速度と背景仮定の役割を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球対称で非一様なLTBモデルは、$\Lambda$CDMモデルの光度距離および光錐質量密度を正確に再現できるか？
• RQ2 観測が1つの時空超曲面に制限される以上、光錐観測のみで宇宙論的モデルがどれほど一意に特定できるか？
• RQ3 後期宇宙における非一様性は、宇宙定数や負の圧力を必要とせずに、ダークエネルギーの効果を模倣できるか？
• RQ4 グローバルな時間スライシングが存在しない非一様な宇宙論において、有効状態方程式パラメータは意味を持つのか？
• RQ5 微小な特異速度がバックレアクトションを宇宙加速の原因として排除するという主張の背後にある力学的仮定は何か？

主な発見

• 非一様なLTBモデルを構築することで、$\Lambda$CDMモデルの光度距離$d_L(z)$および光錐質量密度$\hat{\rho}(z)$を正確に再現できる。
• このモデルは、非一様性が小さな場合でも、バックレアクトションに関連する有効な$W$および$K$パラメータが無視できるほど小さい場合でも、ダークエネルギーと同様の観測的シグネチャーを生じさせられることを示している。
• 解析から、観測の解釈は、特異速度を定義するための均一背景の存在といった背景仮定に強く依存することが明らかになった。
• 平均化処理により得られる有効状態方程式パラメータは、$\Lambda$CDMモデルのものとは類似していないため、非一様な時空ではこのようなパラメータが物理的意味を持たない可能性がある。
• 結果として、$\Lambda$CDMモデルの独自性が疑問視され、観測のみでは均一性と等方性を仮定しない限り、非一様な代替モデルを除外できないことが示された。
• 本研究は、時空幾何が均一であると仮定しない限り、ダークエネルギーの存在を観測から結論づけることはできないと示唆している。