[论文解读] Cosmic structure, averaging and dark energy

David L. Wiltshire|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用 11

一句话总结

本文提出了timescape情景作为ΛCDM模型的 phenomenologically 可行的替代方案，其中暗能量并非源于宇宙学常数，而是源自非均匀膨胀和空间曲率引起的引力能梯度。研究证明，在本地方团静止参考系中，哈勃膨胀比在CMB参考系中更加均匀，支持了修正的宇宙静止参考系，并挑战了标准模型关于暗能量和宇宙参考系的假设。

ABSTRACT

These lecture notes review the theoretical problems associated with coarse-graining the observed inhomogeneous structure of the universe at late epochs, of describing average cosmic evolution in the presence of growing inhomogeneity, and of relating average quantities to physical observables. In particular, a detailed discussion of the timescape scenario is presented. In this scenario, dark energy is realized as a misidentification of gravitational energy gradients which result from gradients in the kinetic energy of expansion of space, in the presence of density and spatial curvature gradients that grow large with the growth of structure. The phenomenology and observational tests of the timescape model are discussed in detail, with updated constraints from Planck satellite data. In addition, recent results on the variation of the Hubble expansion on < 100/h Mpc scales are discussed. The spherically averaged Hubble law is significantly more uniform in the rest frame of the Local Group of galaxies than in the conventional rest frame assumed for the Cosmic Microwave Background. This unexpected result supports a fundamental revision of the notion of the cosmic rest frame, consistent with the expectations of the timescape scenario.

研究动机与目标

• 解决广义相对论中非均匀宇宙结构粗粒化的基础问题。
• 挑战标准假设，即宇宙静止参考系由CMB定义，转而提出该参考系应与束缚系统（如本地方团）的运动学相关联。
• 检验观测到的宇宙加速是否可通过非均匀时空几何的平均化来解释，而无需引入暗能量。
• 发展Buchert平均方案的物理一致解释，避免引入平滑的暗能量组分。

提出的方法

• 使用Buchert平均形式化方法，推导非均匀宇宙学的有效平均方程。
• 应用timescape情景，该情景将宇宙建模为具有不同空间曲率和动能梯度的非均匀膨胀区域网络。
• 在三个静止参考系中分析哈勃膨胀速率：CMB参考系、本地方团（LG）参考系和本地标准（LS）参考系，以检验参考系依赖性。
• 利用普朗克卫星数据约束timescape模型，特别关注CMB偶极子和大尺度功率不对称性。
• 通过比较不同参考系中像差和多普勒增强效应的预测方向与观测到的偶极子方向，检验CMB偶极子的运动学起源。
• 对尺度小于100 h⁻¹ Mpc的哈勃膨胀变化进行模型无关分析，以评估其与timescape情景的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的宇宙加速是否可通过非均匀时空几何的平均化来解释，而无需引入暗能量？
• RQ2 宇宙静止参考系应由CMB定义，还是由束缚系统（如本地方团）的运动学定义更合适？
• RQ3 CMB偶极子异常和大尺度功率不对称性在多大程度上可由偶极子的非运动学贡献来解释？
• RQ4 哈勃膨胀速率在不同静止参考系中如何变化，这对标准宇宙学模型有何含义？
• RQ5 timescape情景是否能在不引入暗能量的前提下，重现包括普朗克数据在内的关键观测约束？

主要发现

• 在本地方团静止参考系中，球对称平均的哈勃定律显著比在CMB静止参考系中更均匀，表明将CMB参考系假设为宇宙静止参考系存在根本性问题。
• 观测到的哈勃膨胀变化偶极子与本地方团参考系中发现的哈勃方差偶极子方向一致，支持timescape模型关于偶极子非运动学起源的预测。
• CMB偶极子异常和大尺度功率不对称性可能由1–2%的非运动学偶极子贡献解释，该贡献在观测上可行，且与timescape情景一致。
• 在普朗克卫星数据的最新约束下，特别是关于CMB多极矩和偶极子结构，timescape模型仍保持观测上的可行性。
• 宇宙射电星系偶极子为纯运动学的假设在99.5%置信水平下与数据不一致，进一步支持timescape模型的预测。
• 对尺度小于100 h⁻¹ Mpc的哈勃膨胀变化进行的模型无关分析显示，其与timescape情景的一致性强于与标准ΛCDM模型的一致性。