[论文解读] Models of Universe with an inhomogeneous Big Bang singularity. II. CMBR dipole anisotropy as a byproduct of a conic Big Bang singularity

Jean Schneider, Marie-Noëlle Célérier|arXiv (Cornell University)|May 20, 1999

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本文提出，宇宙微波背景辐射（CMBR）的偶极各向异性可源于具有初始奇点表面径向依赖性的圆锥型大爆炸奇点，采用Tolman-Bondi模型进行描述。通过调节模型参数，该模型能较好地再现CMBR各向异性的偶极和四极矩，表明空间非均匀的初始条件可作为观测到的偶极各向异性的合理解释，而无需假设观测者存在宇宙学运动。

ABSTRACT

The existence of stars and galaxies reqires cosmological models with an inhomogeneous matter and radiation distribution. But in these models the initial singularity surface t_0(r) is in general homogeneous (independent of r). In this second paper of a series devoted to an inhomogeneous Big Bang singularity, we investigate the cosmic microwave background radiation (CMBR) dipole. A special Tolman-Bondi Universe is used to study the effect of a Big-Bang singularity, depending linearly on r, on the CMBR anisotropy. It is shown that, for an observer located off the ``center'' of this Universe (r=0), the parameters of the model can be tuned so as to reproduce, with a good approximation, the dipole and the quadrupole moments of the CMBR anisotropy observed in recent experiments. If the dipole should prove cosmological, a slight delaying of the Big-Bang over spatial coordinates would thus be a good candidate for its interpretation.

研究动机与目标

• 探究具有径向依赖性的非均匀大爆炸奇点是否能够解释观测到的CMBR偶极各向异性。
• 探讨初始奇点表面 t₀(r) 的非均匀性对宇宙学模型中CMBR各向异性的潜在影响。
• 确定在圆锥型奇点模型下，CMBR各向异性的偶极和四极矩是否可被再现。
• 评估空间变化的大爆炸起始时间是否能为观测到的CMBR偶极各向异性提供物理起源，而无需依赖观测者运动。

提出的方法

• 采用一种特殊的Tolman-Bondi宇宙模型，其初始奇点表面 t₀(r) 随径向坐标 r 呈线性依赖。
• 该模型假设大爆炸奇点具有圆锥几何结构，从而在初始条件中引入空间非均匀性。
• 利用相对论性宇宙学方程，从该非均匀初始状态演化辐射和物质的分布。
• 针对偏离中心位置的观测者（r ≠ 0），计算CMBR温度各向异性的偶极和四极矩。
• 通过调节模型参数，使计算结果与近期实验观测到的偶极和四极矩幅度相匹配。
• 从扰动测地线方程和初始条件 t₀(r) 推导出CMBR温度的角依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始奇点表面 t₀(r) 的径向依赖性是否能产生与观测一致的CMBR偶极各向异性？
• RQ2 在具有圆锥型大爆炸奇点的模型中，CMBR各向异性的偶极和四极矩在多大程度上可被再现？
• RQ3 观测到的CMBR偶极各向异性是否与源于非均匀初始条件的宇宙学起源相容，而非源于观测者运动？
• RQ4 为匹配观测到的CMBR各向异性幅度，Tolman-Bondi模型所需的参数值是什么？

主要发现

• 该模型能以良好近似再现观测到的CMBR各向异性的偶极和四极矩。
• 对于偏离中心的观测者（r ≠ 0），初始奇点表面 t₀(r) 的径向依赖性会在CMBR中产生偶极各向异性。
• 偶极幅度对观测者位置和 t₀(r) 的斜率敏感，从而可校准以匹配观测结果。
• 四极矩也在模型的参数空间内被成功再现，支持与观测数据的一致性。
• 结果表明，坐标空间中大爆炸时间的微小空间延迟，可能是CMBR偶极各向异性的物理解释。
• 该模型为偶极各向异性提供了非运动学的、宇宙学起源的解释，避免了对特殊参考系或观测者运动的依赖。