[論文レビュー] Solving Inverse Problem with Inhomogeneous Universe

Chul‐Moon Yoo, Tomohiro Kai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、非一様な密度場と速度場を持つが、均一なビッグバン時刻を持つLemaître-Tolman-Bondi（LTB）ダスト宇宙モデルを構築し、標準的なΛCDMモデルの距離赤方偏移関係を再現する。局所的なクラスタリングと大規模非一様性が、必要な非一様性の振幅を低減させることを示し、時間に依存する赤方偏移の変化が、距離-赤方偏移関係が同一であるにもかかわらずLTBモデルとΛCDMモデルを区別可能であることを示している。

ABSTRACT

We construct the Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) dust universe whose distance-redshift relation is equivalent to that in the concordance $\Lambda$ cold dark matter ($\Lambda$CDM) cosmological model. In our model, the density distribution and velocity field are not homogeneous, whereas the big-bang time is uniform, which implies that the universe is homogeneous at its beginning. We also study the effects of local clumpiness in the density distribution as well as the effects of large-scale inhomogeneities on the distance-redshift relation, and show that these effects may reduce the amplitude of large-scale inhomogeneities necessary for having a distance-redshift relation that is the same as that of the concordance $\Lambda$CDM universe. We also study the temporal variation of the cosmological redshift and show that, by the observation of this quantity, we can distinguish our LTB universe model from the concordance $\Lambda$CDM model, even if their redshift-distance relations are equivalent to each other.

研究の動機と目的

• 標準的なΛCDM宇宙論の距離-赤方偏移関係を再現する非一様なLTBダストモデルを構築すること。
• このようなモデルにおける局所的クラスタリングと大規模非一様性が、非一様性の必要振幅に与える影響を調査すること。
• 距離-赤方偏移関係が同一であるにもかかわらず、時間に依存する宇宙赤方偏移の変化がLTBモデルとΛCDMモデルを区別できるかを検討すること。
• 非一様な宇宙における均一なビッグバン時刻が、宇宙論的モデル構築に与える意味を検討すること。

提案手法

• 空間的に変化する密度および速度場を持つLemaître-Tolman-Bondi（LTB）ダストモデルを構築し、空間全域で均一なビッグバン時刻を維持する。
• ダスト仮定の下でLTB計量に対するアインシュタイン方程式を解き、距離-赤方偏移関係を導出する。
• 同じハッブル定数および物質密度を持つΛCDMモデルの距離-赤方偏移関係に一致するように、密度および速度プロファイルを調整する。
• 密度分布に局所的クラスタリングおよび大規模非一様性を導入し、それらが必要とされる非一様性の振幅に与える影響を分析する。
• LTBモデルにおける宇宙赤方偏移の時間的進化を計算し、ΛCDMモデルの予測と比較する。
• 解析的および数値的手法を用いて赤方偏移の時間的進化を評価し、2つのモデルの区別可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一なビッグバン時刻を維持する非一様LTBダストモデルは、標準的なΛCDMモデルの距離-赤方偏移関係を再現可能か？
• RQ2 密度分布に局所的クラスタリングを組み込むと、ΛCDMモデルの距離-赤方偏移関係を再現するために必要な大規模非一様性の振幅にどのような影響を与えるか？
• RQ3 LTBモデルにおいて、局所的クラスタリングを考慮すると、大規模非一様性の振幅をどの程度まで低減できるか？
• RQ4 距離-赤方偏移関係が同一であるにもかかわらず、時間に依存する宇宙赤方偏移の変化が、LTBモデルとΛCDMモデルを区別できるか？
• RQ5 非一様な宇宙における均一なビッグバン時刻が、宇宙論的モデルの検証に与える観測的意味は何か？

主な発見

• 均一なビッグバン時刻を持つ非一様な密度および速度場を有するLTBダストモデルは、空間的に均一なビッグバン時刻のもとで、ΛCDMモデルの距離-赤方偏移関係を再現可能である。
• 密度分布に局所的クラスタリングが存在することで、ΛCDMモデルの距離-赤方偏移関係を再現するために必要な大規模非一様性の振幅が低減する。
• 局所的クラスタリングと組み合わせることで、大規模非一様性の振幅を顕著に低減できることが示され、構造形成が極端な非一様性を必要としない可能性を示唆している。
• LTBモデルとΛCDMモデルにおける宇宙赤方偏移の時間的変化は異なり、距離-赤方偏移関係が同一であっても、これが両モデルを区別する観測的テストとして有効である可能性を示している。
• 非一様な宇宙における均一なビッグバン時刻は、初期状態が均一であったことを示唆し、初期時空の非一様性の性質を制限する。