[论文解读] Lightcone Averaging and Precision Cosmology

Fabien Nugier|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 131被引用 9

一句话总结

本博士论文提出了一套规范不变的光锥平均框架，用于研究宇宙非均匀性对精确宇宙学的影响，特别是对暗能量参数估计的影响。研究发现，虽然平均光度距离仅受到微弱影响，但由特殊速度和弱引力透镜效应驱动的距离模量方差显著增强，这排除了结构效应作为暗能量的替代解释，同时突显了其在数据离散性中的关键作用。

ABSTRACT

The first objective of this thesis is to fill the lack in cosmology of a description on the past light cone: the null hypersurface on which observed signals propagate. Its second goal is to evaluate the importance of inhomogeneities in the determination of dark energy parameters, whose real nature is still unknown and for which the influence of matter structures has been proposed as a cosmological alternative. We start with the definition of a "geodesic lightcone" gauge simplifying greatly the study of light propagation in the Universe. We then define a gauge invariant average of scalars on the past light cone and compute the effect of inhomogeneities on the luminosity flux by considering their power spectrum up to its non-linear regime. The effect on the flux is negligible whereas observables like the luminosity distance, computed at second order in perturbations, are much more affected. We also study the distance modulus at the basis of the discovery of dark energy from type Ia supernovae (SNe). The average of this modulus is only slightly affected by inhomogeneities but its variance sensitively depends on them. These results show, within their hypotheses, that an alternative to dark energy by an effect of structures is impossible but, at the same time, emphasize their importance on the dispersion of data in the Hubble diagram. The dominating physical effects turn out to be peculiar velocity of SNe and weak lensing. Our predictions on the dispersion are in very good agreement with first analyses carried out so far to detect a signal of lensing among SNe Ia data and will be testable in the near future.

研究动机与目标

• 开发一种规范不变的形式，用于在观测信号传播的过去光锥上对宇宙学可观测量进行平均。
• 评估物质结构中的非均匀性是否可能模仿或取代暗能量作为宇宙加速膨胀的原因。
• 利用二阶微扰理论量化非线性非均匀性对光度距离和距离模量的影响。
• 评估弱引力透镜效应和特殊速度在Ia型超新星数据观测离散性中的作用。
• 为哈勃图中的方差提供可检验的预测，可与观测数据进行比较。

提出的方法

• 引入一种'测地线光锥'规范，以简化非均匀时空中光传播的描述。
• 使用协变形式，对过去光锥上标量量的规范不变平均进行定义。
• 利用密度扰动的功率谱，计算到非线性区域，评估非均匀性对光度通量的影响。
• 进行二阶微扰理论计算，以评估光度距离和距离模量的修正。
• 将特殊速度和弱引力透镜效应对超新星光度数据观测离散性的贡献分开。
• 将距离模量方差的理论预测与现有Ia型超新星数据的观测分析进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙物质分布中的非均匀性在多大程度上影响观测到的光度距离和距离模量？
• RQ2 宇宙的观测加速是否可由非均匀结构形成解释，而非依赖于暗能量？
• RQ3 特殊速度和弱引力透镜效应对Ia型超新星光度图中散射的贡献是什么？
• RQ4 非线性密度涨落在宇宙学光锥平均可观测量中产生何种影响？
• RQ5 距离模量方差的理论预测是否与当前超新星数据的分析结果一致？

主要发现

• 平均光度距离仅受非均匀性微弱影响，表明大尺度平均不会显著改变平均宇宙膨胀速率。
• 距离模量的方差强烈受非均匀性影响，其中特殊速度和弱引力透镜效应是主要的物理贡献者。
• 对距离模量离散性的理论预测与首次旨在探测Ia型超新星数据中透镜效应的观测分析高度一致。
• 在该框架的假设下，结构引起的效应无法解释观测到的宇宙加速，从而排除了纯粹非均匀性替代暗能量的可能性。
• 二阶微扰理论表明，诸如距离模量等可观测量比通量本身对非均匀性更敏感，而通量几乎不受影响。
• 规范不变的光锥平均形式为在非线性结构存在下进行精确宇宙学研究提供了稳健且一致的框架。