[论文解读] Galaxy number-count dipole and superhorizon fluctuations

Guillem Domènech, Roya Mohayaee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 100被引用 31

一句话总结

本文研究了超 horizon 原初扰动——特别是等曲率模式——是否能解释宇宙微波背景（CMB）偶极与星系数密度偶极之间的观测张力。研究发现，虽然绝热模式和等曲率模式的超 horizon 模式不会产生内在的星系数密度偶极，但等曲率模式会在 CMB 与物质参考系之间诱导相对速度，从而可能为偶极张力提供运动学起源。该模型预测将产生可观测的星系数密度四极，为未来巡天提供可检验的特征。

ABSTRACT

In view of the growing tension between the dipole anisotropy of number counts of cosmologically distant sources and of the cosmic microwave background (CMB), we investigate the number count dipole induced by primordial perturbations with wavelength comparable to or exceeding the Hubble radius today. First, we find that neither adiabatic nor isocurvature superhorizon modes can generate an intrinsic number count dipole. However a superhorizon isocurvature mode does induce a relative velocity between the CMB and the (dark) matter rest frames and thereby affects the CMB dipole. We revisit the possibility that it has an intrinsic component due to such a mode, thus enabling consistency with the galaxy number count dipole if the latter is actually kinematic in origin. Although this scenario is not particularly natural, there are possible links with other anomalies and it predicts a concommitant galaxy number count quadrupole which may be measurable in future surveys. We also investigate the number count dipole induced by modes smaller than the Hubble radius, finding that subject to CMB constraints this is too small to reconcile the dipole tension.

研究动机与目标

• 检验超 horizon 原初扰动是否能缓解 CMB 偶极与星系数密度偶极之间日益增长的张力。
• 评估等曲率模式——与绝热模式不同——是否能诱导 CMB 与物质静止参考系之间的相对速度，从而影响偶极测量。
• 评估此类模式是否能产生与观测一致的内在星系数密度偶极，从而调和偶极张力。
• 在 CMB 约束下检验该情景的可行性及其对宇宙学原理破坏的含义。
• 预测伴随的星系数密度四极信号，该信号可能在未来的大型巡天中被探测到。

提出的方法

• 使用协变相对论性形式推导星系数密度涨落，扩展了 Kasai & Sasaki (1989) 的框架，完整包含观测者处的单极与偶极项。
• 应用宇宙学扰动理论，计算超 horizon 绝热模式与冷暗物质（CDM）等曲率模式对 CMB 与星系数密度的影响。
• 使用规范不变形式推导由超 horizon 模式引起的星系数密度偶极，区分运动学与内在贡献。
• 在当前 CMB 约束（Planck 2018）下评估偶极振幅，检验亚 horizon 模式是否能调和偶极张力。
• 分析在退耦时处于超 horizon 状态但如今已进入亚 horizon 状态的模式，评估其对星系数密度偶极的贡献。
• 推导由等曲率模式引起的预测星系数密度四极信号，提出其作为未来巡天中可检验的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 超 horizon 等曲率模式能否产生一个内在的星系数密度偶极，从而调和观测到的偶极张力？
• RQ2 绝热或等曲率超 horizon 模式是否会在 CMB 与物质静止参考系之间诱导相对速度，从而影响 CMB 偶极？
• RQ3 若 CMB 偶极因等曲率模式而具有内在成分，则观测到的星系数密度偶极是否与运动学起源一致？
• RQ4 在当前 CMB 约束下，曾在退耦时处于超 horizon 状态的亚 horizon 模式所引起的星系数密度偶极振幅是多少？
• RQ5 未来大型巡天能否探测到由等曲率模式引起的预测星系数密度四极信号？

主要发现

• 绝热模式与等曲率模式的超 horizon 模式均不会产生内在的星系数密度偶极，排除了此类模式对星系偶极的直接贡献。
• 超 horizon 等曲率模式确实会在 CMB 与物质静止参考系之间诱导相对速度，这可能影响 CMB 偶极，并可能解释其内在成分。
• 若星系数密度偶极为运动学起源，而 CMB 偶极因等曲率模式具有内在成分，该情景虽不够自然，但与当前数据一致。
• 该模型预测由等曲率模式引起的伴随星系数密度四极信号，该信号可能在未来的深空巡天中被探测到。
• 在退耦时处于超 horizon 状态但如今为亚 horizon 的模式所引起的星系数密度偶极太小，无法在当前 CMB 约束下调和观测到的偶极张力。
• 该框架提供了可检验的预测：由等曲率模式引起的可观测星系数密度四极，为区分此情景与标准 ΛCDM 模型提供了潜在的观测特征。