[论文解读] Comment on "A Supervoid Imprinting the Cold Spot in the Cosmic Microwave Background"

J. P. Zibin|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文挑战了Finelli等人提出的观点，即红移z ≈ 0.16处的超空洞通过非线性Rees-Sciama效应解释了CMB冷斑。利用Planck最佳拟合参数的全非线性$Λ$LTB模型，作者表明线性积分Sachs-Wolfe（ISW）效应占主导地位，仅产生$-25\,\mu\text{K}$的减量——远弱于观测到的$-150\,\mu\text{K}$冷斑核心，这意味着大部分各向异性必须源于其他地方。

ABSTRACT

Recently Finelli et al. [http://arxiv.org/abs/1405.1555] found evidence for a relatively nearby (z = 0.16) void in a galaxy catalogue in the direction of the cosmic microwave background (CMB) Cold Spot. Using a perturbative calculation, they also claimed that such a void would produce a CMB decrement comparable to that of the observed Cold Spot, mainly via the nonlinear Rees-Sciama effect. Here I calculate the effect of such a void using a fully general relativistic model and show that, to the contrary, the linear integrated Sachs-Wolfe effect dominates and produces a substantially weaker decrement than observed.

研究动机与目标

• 检验Finelli等人声称的、位于z ≈ 0.16处的超空洞是否可通过非线性Rees-Sciama效应解释CMB冷斑。
• 评估先前工作中使用的微扰计算的有效性，通过与全般相对论性、非线性的$Λ$LTB模型进行比较。
• 确定对于观测到大小和深度的空洞，线性ISW与非线性Rees-Sciama效应在CMB各向异性中的相对贡献。
• 澄清微扰计算与真实$Λ$LTB解在建模空洞引起的CMB各向异性时的区别。

提出的方法

• 使用全非线性的球对称$\Lambda$-Lemaître-Tolman-Bondi（$\Lambda$ LTB）时空来建模空洞，以尘埃和$\Lambda$作为源。
• 将空洞剖面固定为匹配FGKPS最佳拟合参数：$r_0 h = 195\,\text{Mpc}$，$\delta_0 = 0.25$，$z_0 = 0.155$。
• 通过从观测者到最后散射面的零测地线追踪，计算$\Lambda$ LTB时空中的精确CMB各向异性。
• 将精确的非线性结果与使用公式(13)的线性化近似进行比较，该公式将ISW和局部偶极贡献分离。
• 通过一个更深、更远的空洞（10倍振幅，$z_0 = 1$）进行敏感性测试，以隔离非线性Rees-Sciama效应。
• 使用Planck最佳拟合的$\Lambda$CDM参数，并确保与线性化度规扰动$\psi_q$和增长抑制因子$g(t)$的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 位于$z \approx 0.16$处的超空洞是否能通过非线性Rees-Sciama效应产生与冷斑相当的CMB减量？
• RQ2 全非线性$\Lambda$LTB模型与Finelli等人使用的微扰方法在预测CMB各向异性方面有何比较？
• RQ3 在$\Lambda$CDM宇宙中，对于观测到大小和深度的空洞，是线性积分Sachs-Wolfe效应还是非线性Rees-Sciama效应占主导地位？
• RQ4 与微扰估计相比，全非线性解是否抑制了Rees-Sciama效应，若是，抑制程度如何？

主要发现

• 在FGKPS最佳拟合空洞的全$\Lambda$LTB模型中，线性积分Sachs-Wolfe（ISW）效应主导了非线性Rees-Sciama（RS）效应。
• ISW效应引起的中心CMB温度减量约为$-25\,\mu\text{K}$，远弱于微扰RS计算预测的$-158\,\mu\text{K}$。
• 精确的$\Lambda$LTB计算与线性化近似（公式13）几乎完全一致，表明对于此空洞，非线性RS效应是次要的。
• 局部偶极贡献（由于整体流动）在观测者位置主导了各向异性，但这不足以解释冷斑的大尺度结构。
• 即使对于更深、更远的空洞（10倍振幅，$z_0 = 1$），ISW效应仍占主导地位，证实了在$\Lambda$CDM中RS效应被抑制。
• 观测到的冷斑振幅（$\sim -150\,\mu\text{K}$）无法仅由空洞解释，意味着需要额外的各向异性来源。