[论文解读] Drift of Light Rays Induced by Nonsymmetric Cosmic Flow: an observational test of homogeneity of the Universe + a few general comments on inhomogeneous models

Andrzej Krasiński, Krzysztof Bolejko|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

该论文提出，在非均匀宇宙学模型——特别是Szekeres模型和Lemaître–Tolman模型中——非对称的宇宙流体运动会在天球上引起光路的可测量漂移，每年最高达10⁻⁶角秒，通过未来仪器在约10年内可探测到。该效应在均匀的FLRW模型中消失，从而为宇宙非均匀性提供了直接的观测检验。

ABSTRACT

After introducing the Szekeres and Lema\^itre--Tolman cosmological models, the real-time cosmology program is briefly mentioned. Then, a few widespread misconceptions about the cosmological models are pointed out and corrected. Investigation of null geodesic equations in the Szekeres models shows that observers in favourable positions would see galaxies drift across the sky at a rate of up to $10^{-6}$ arc seconds per year. Such a drift would be possible to measure using devices that are under construction; the required time of monitoring would be $\approx10$ years. This effect is zero in the FLRW models, so it provides a measure of inhomogeneity of the Universe. In the Szekeres models, the condition for zero drift is zero shear. But in the shearfree normal models, the condition for zero drift is that, in the comoving coordinates, the time dependence of the metric completely factors out.

研究动机与目标

• 识别并纠正关于宇宙学模型的广泛误解，特别是关于非均匀性与对称性的误解。
• 研究非均匀模型中的非对称宇宙流体运动是否会在光路轨迹上产生可观测效应。
• 基于可观测的光路漂移，提出一个关于宇宙均匀性的具体观测检验方法。
• 阐明在无剪切法向模型和Szekeres模型中，光路漂移消失的条件。

提出的方法

• 分析Szekeres宇宙学模型中的零测地线方程，以计算观测者所见的光路角漂移。
• 推导Szekeres模型中光路漂移为零的条件，表明其等价于剪切为零。
• 与Lemaître–Tolman模型进行比较，以评估漂移效应的一致性与普遍性。
• 识别无剪切法向模型中漂移为零的条件：在共动坐标系中，度规的时间依赖性可完全分解。
• 使用未来观测仪器在约10年监测周期内评估漂移效应的可探测性。
• 运用实时宇宙学计划的概念，将漂移的物理解释为探测宇宙非均匀性的工具。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非均匀宇宙学模型中，非对称的宇宙流体运动是否会导致遥远星系表观位置的可测量漂移？
• RQ2 在现实观测条件下，Szekeres模型中光路漂移的大小和可探测性如何？
• RQ3 为何FLRW模型中光路漂移会消失？这如何区分均匀与非均匀宇宙？
• RQ4 无剪切法向模型中光路漂移为零的精确数学条件是什么？它与Szekeres情形有何不同？
• RQ5 该漂移效应能否作为宇宙均匀性的直接观测检验？

主要发现

• 在Szekeres模型中，处于有利位置的观测者将因非对称宇宙流体运动而测得每年最高达10⁻⁶角秒的光路漂移。
• 该漂移效应在FLRW模型中完全不存在，使其成为宇宙非均匀性的独特特征。
• 在Szekeres模型中，当剪切张量为零时，漂移恰好消失，从而建立了几何剪切与可观测漂移之间的直接联系。
• 在无剪切法向模型中，漂移为零的条件是：在共动坐标系中，度规的时间依赖性可被完全分解。
• 该漂移效应可通过未来仪器在约10年的监测周期内探测到。
• 本研究纠正了关于宇宙学模型的常见误解，特别是关于对称性与剪切在光传播中作用的误解。