[論文レビュー] Turnaround overdensity as a cosmological observable: the case for a local measurement of $Λ$

Dimitrios Tanoglidis, V. Pavlidou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、宇宙構造の時間的進化を追跡することで、宇宙定数 Λ を局所的・構造スケールで測定する新しい局所的宇宙論的テストを提案する。球対称崩壊モデルを用いて、時間に依存するトランスファーレイアウト半径が Ω_m,0 および Ω_Λ,0 に依存することを示し、これにより Λ の局所的測定が可能になる。これは ΛCDM モデルの整合性チェックとなり、標準模型を超える新しい物理の探査手段ともなる。

ABSTRACT

We demonstrate that, in the context of the $Λ$CDM model, it is in principle possible to measure the value of the cosmological constant by tracing, across cosmic time, the evolution of the turnaround radius of cosmic structures. The novelty of the presented method is that it is local, in the sense that it uses the effect of the cosmological constant on the relatively short scales of cosmic structures and not on the dynamics of the Universe at its largest scales. In this way, it can provide an important consistency check for the standard cosmological model and can give signs of new physics, beyond $Λ$CDM.

研究の動機と目的

• 大規模な動力学に依存せずに、宇宙定数 Λ のための局所的宇宙論的テストを開発すること。
• Ω_Λ,0 および Ω_m,0 の異なる値のもとで、宇宙構造のトランスファーレイアウト半径がどのように時間的に進化するかを示し、パラメータ制約を可能にすること。
• グローバルな宇宙論的観測に依存せず、局所的物理のみを用いて Λ を測定するための概念実証を提供すること。
• ΛCDM モデルの整合性チェックを提供し、もし局所的に Λ が検出されない場合、新しい物理の兆候となる可能性を示すこと。
• 時間的経過に伴うトランスファーレイアウト半径の統計的分析によって、非ゼロの Λ が局所的に確認可能であることを示すこと。

提案手法

• 宇宙スケール因子 a の関数として、トランスファーレイアウト半径 R_ta(a) の時間的進化を記述するため、球対称崩壊モデルを用いる。
• 質量 M、Ω_m,0、Ω_Λ,0、および万有引力定数 G と光速 c の関数として、R_ta(a) の解析的表現を導出する。
• トランスファーレイアウト半径の宇宙論的依存性を分離するために、次元なし関数 I(a) = R_ta(a)/[M^{1/3} a] を導入する。
• Ω_m,0 および Ω_Λ,0 の異なる値における I(a) の進化を分析し、異なる Λ の下で明確に異なる軌道が得られることを示す。
• Ω_Λ,0 ≠ 0 を 5σ の信頼水準で検出するために必要な独立測定回数（N ≈ 25）を推定し、統計的誤差の低減を達成可能であることを示す。
• 異なる赤方偏移（例：a ≈ 0.5）における宇宙構造の質量および半径の観測を用いて、Ω_Λ,0 を局所的に制約する手法を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙定数 Λ は、大規模な宇宙論的力学に依存せず、局所的・構造スケールの物理のみを用いて測定可能か？
• RQ2 異なる ΛCDM パrameter 空間において、宇宙構造のトランスファーレイアウト半径はどのように時間的に進化するか？
• RQ3 トランスファーレイアウト半径測定を通じて、非ゼロの Λ を統計的に確認するにはどの程度の観測精度が必要か？
• RQ4 トランスファーレイアウト半径の進化は、超新星や CMB のデータに依存せずに、ΛCDM モデルの整合性テストとして機能可能か？
• RQ5 この手法を用いて Ω_Λ,0 ≠ 0 を 5σ で検出するために必要な最小の独立測定回数は何か？

主な発見

• ΛCDM におけるトランスファーレイアウト半径 R_ta(a) は Ω_m,0 および Ω_Λ,0 に依存し、これにより局所的構造進化から宇宙論的パラメータを制約可能である。
• 次元なし関数 I(a) = R_ta(a)/(M^{1/3} a) は現在の時点では Ω_Λ,0 に対して弱い依存性を示すが、初期期（例：a ≈ 0.5）では強い依存性を示す。
• Ω_Λ,0 ≠ 0 を 5σ で検出するには、測定された I 値の平均誤差 σ_⟨I⟩ ≈ 0.01 が必要であり、約 25 回の独立測定で達成可能である。
• 本手法は、超新星や CMB 異方性といった大規模な観測に依存しない、Λ の局所的測定の概念実証を提供する。
• 本手法により Λ が検出されない場合、これは ΛCDM を超える物理の強い兆候を示しており、強力な整合性テストとなる。
• 非球対称摂動に対しても、非対称性の効果がトランスファーレイアウトスケールでは小さいと予想されるため、結果は定性的に頑健である。