[论文解读] Central symmetry and antisymmetry of the microwave background inhomogeneities on Wilkinson Microwave Anisotropy Probe maps

Iurii Kudriavtcev, D. Semenov|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究提出，WMAP 数据中的微波背景非均匀性表现出中心对称性，包含对称与反对称分量，其中天球上对径点的温度偏差要么相同（对称），要么相反（反对称）。通过数值分析与莫洛伊德投影图，作者发现全局平均对称系数为 −4±1%，表明反对称性略有占优，局部变化显示两种机制均存在双极贡献，暗示物质运动与再结合时密度涨落具有不同的物理起源。

ABSTRACT

We performed a visual and numeric analysis of the deviation of the microwave background temperature on WMAP maps. We proved that the microwave background inhomogeneities possess the property of the central symmetry resulting from the two kinds of central symmetry of the opposite signs. After the computer modeling we have established the relation between the coefficient of the central symmetry and the values of the symmetrical and antisymmetrical components of the deviation of the temperature. The obtained distribution of the symmetry coefficient on the map of the celestial sphere in Mollweide projection testifies on a contribution of both kinds of central symmetry which is approximately equal on the average in absolute magnitude but opposite by sign and where one kind of the central symmetry prevails on some sections of the celestial sphere and another kind - on the others. The average resulting value of the symmetry coefficient on the sections with angular measures less than 15-200 varies within the range from -50% to +50% with some prevalence of the antisymmetry - the average coefficient of the central symmetry for the whole celestial sphere is -4 +/- 1%. (antisymmetry 4%). Small scale structure of the distribution indicates that it is the result of the combined action of the mechanisms of the central symmetry and central antisymmetry, close to 100%.

研究动机与目标

• 调查 WMAP 图像中的微波背景非均匀性是否表现出中心对称性而非轴对称性。
• 检验中心对称性（包括对称与反对称分量）的假设，以解释观测到的大尺度图案，且不违反宇宙各向同性。
• 通过温度偏差图的数值分析，量化对称与反对称分量的相对贡献。
• 探讨对称性图案的物理起源，区分由再结合时物质运动与密度非均匀性引起的机制。

提出的方法

• 对 WMAP 图像在莫洛伊德投影与兰伯特投影下应用视觉与数值分析，以检测中心对称性模式。
• 将中心对称系数 ksymm 定义为 (|Tsymm| − |Tasymm|)/(|Tsymm| + |Tasymm|)，将其与对称与反对称温度分量绝对值的差和和相关联。
• 使用计算机模拟在天球上分布对称系数的分布。
• 在莫洛伊德投影下生成 ksymm 的地图，以可视化空间变化，识别主导对称性或反对称性的区域。
• 分析 ksymm 地图的未平滑片段，以检测 Tsymm = 0 或 Tasymm = 0 的直线，表明某一符号的 100% 对称性。
• 将观测到的图案与闭合 3-球宇宙模型的理论预期相关联，其中光线在 3-球面上穿越多个环路。

实验结果

研究问题

• RQ1 WMAP 数据中的微波背景是否表现出中心对称性而非轴对称性？若是，其特征为何？
• RQ2 对称与反对称分量对天球上观测到的温度偏差图案的相对贡献是什么？
• RQ3 观测到的对称性图案能否由两个不同的物理机制——再结合时的物质运动与密度非均匀性——来解释？
• RQ4 对称系数在不同角尺度上如何变化？这对潜在的宇宙动力学意味着什么？
• RQ5 中心对称系数的全局平均值是多少？它是否表明某种对称性类型占优？

主要发现

• 整个天球的平均中心对称系数为 −4±1%，表明反对称性略有占优。
• 在 15–20° 以下的角尺度上，对称系数在 −50% 至 +50% 之间变化，局部区域表现出对称或反对称的主导。
• ksymm 图中的小尺度结构以 Tsymm = 0 或 Tasymm = 0 的线条为特征，表明某一符号的 100% 对称性，证实两种机制均存在。
• ksymm 的分布显示双极模式，对称与反对称分量在幅度上大致相等，但平均符号相反。
• 观测到的对称性图案与闭合宇宙模型一致，其中再结合时发出的光线在 3-球面上多次环绕，导致观测到的温度偏差呈现中心对称性。
• 结果表明，温度偏差由两个不同的物理过程驱动：再结合时的物质运动（导致反对称性）与密度非均匀性（导致对称性）。