[论文解读] Constraints on large scale voids from WMAP-5 and SDSS

Paul M. Hunt, S. Sarkar|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 15

一句话总结

本文研究了地球附近一个大尺度低密度空洞是否能在不引入暗能量的情况下解释宇宙加速膨胀，基于WMAP-5宇宙微波背景（CMB）数据与SDSS星系团聚数据。研究发现，尽管在非标准假设下此类空洞可拟合数据，但在高斯原始涨落假设下，它们在统计上极不可能成立，从而挑战了标准ΛCDM模型，尽管观测到空洞和高奇特速度流。

ABSTRACT

Measurements of the SNe Ia Hubble diagram which suggest that the universe is accelerating due to the effect of dark energy may be biased because we are located in a 200-300 Mpc underdense which is expanding 20-30% faster than the average rate. With the smaller global Hubble parameter, the WMAP-5 data on cosmic microwave background anisotropies can be fitted without requiring dark energy if there is some excess power in the spectrum of primordial perturbations on 100 Mpc scales. The SDSS data on galaxy clustering can also be fitted if there is a small component of hot dark matter in the form of 0.5 eV mass neutrinos. We show however that if the primordial fluctuations are gaussian, the expected variance of the Hubble parameter and the matter density are far too small to allow such a large local void. Nevertheless many such large voids have been identified in the SDSS LRG survey in a search for the late-ISW effect due to dark energy. The observed CMB temperature decrements imply that they are nearly empty, thus these real voids too are in gross conflict with the concordance LCDM model. The recently observed high peculiar velocity flow presents another challenge for the model. Therefore whether a large local void actually exists must be tested through observations and cannot be dismissed a priori.

研究动机与目标

• 检验地球附近的大尺度低密度空洞是否能在不引入暗能量的情况下解释观测到的宇宙加速膨胀。
• 评估在修改原始功率谱和热暗物质条件下，WMAP-5 CMB各向异性数据与SDSS星系团聚数据是否能被空洞假说拟合。
• 在高斯原始涨落假设下，评估此类空洞的统计合理性。
• 调和观测到的大尺度空洞与高奇特速度流与标准ΛCDM模型之间的矛盾。

提出的方法

• 分析WMAP-5宇宙微波背景（CMB）各向异性数据，检验在无暗能量假设下，若在100 Mpc尺度上存在原始扰动功率过剩，是否能拟合数据。
• 利用SDSS明亮红巨星（LRG）团聚数据，检验包含0.5 eV质量中微子成分作为热暗物质的空洞模型是否一致。
• 评估高斯随机场中哈勃参数与物质密度的期望方差，以评估200–300 Mpc尺度上低密度空洞（膨胀速度加快20–30%）的可能性。
• 将空洞引起的哈勃参数变化的理论预测与CMB温度降低及奇特速度流的观测约束进行比较。
• 应用统计检验，判断SDSS LRG巡天中观测到的空洞是否与高斯初始条件一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过WMAP-5 CMB数据，在不引入暗能量的前提下，用一个大尺度本地空洞解释观测到的宇宙加速膨胀？
• RQ2 SDSS星系团聚数据在多大程度上能被包含少量热暗物质成分的空洞模型拟合？
• RQ3 在高斯原始涨落假设下，200–300 Mpc尺度的低密度空洞出现的可能性有多大？
• RQ4 观测到的CMB温度降低是否与ΛCDM模型的预测一致？
• RQ5 高奇特速度流是否挑战标准ΛCDM宇宙学？能否由一个本地空洞解释？

主要发现

• 若在100 Mpc尺度上存在原始扰动的额外功率，WMAP-5 CMB数据可在无暗能量的情况下被拟合。
• SDSS星系团聚数据可在空洞模型中通过引入0.5 eV质量中微子作为热暗物质的小成分被拟合。
• 在高斯原始涨落假设下，哈勃参数与物质密度的期望方差过小，无法允许200–300 Mpc尺度上膨胀速度加快20–30%的低密度空洞。
• SDSS LRG巡天中观测到的大空洞（近乎空旷）导致CMB温度降低，与ΛCDM模型存在严重冲突。
• 宇宙中观测到的高奇特速度流进一步挑战标准模型，表明必须通过观测检验大尺度本地空洞的存在，而非先验地将其排除。