[论文解读] Looking the void in the eyes - the kSZ effect in LTB models

J. García-Bellido, Troels Haugboelle|ArXiv.org|Jul 9, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 22被引用 69

一句话总结

本文研究了本动太阳红移-泽尔多维奇（kSZ）效应作为利特雷-托尔曼-邦迪（LTB）空洞模型的探针，该模型提出宇宙加速膨胀是由于大范围的低密度空洞而非暗能量所致。研究显示，来自非中心位置星系团的kSZ观测对空洞大小和密度分布施加了严格约束，当前数据已以高显著性排除了吉帕秒差距量级的空洞，且预测近未来巡天将能明确证实或排除此类模型。

ABSTRACT

As an alternative explanation of the dimming of distant supernovae it has recently been advocated that we live in a special place in the Universe near the centre of a large void described by a Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) metric. The Universe is no longer homogeneous and isotropic and the apparent late time acceleration is actually a consequence of spatial gradients in the metric. If we did not live close to the centre of the void, we would have observed a Cosmic Microwave Background (CMB) dipole much larger than that allowed by observations. Hence, until now it has been argued, for the model to be consistent with observations, that by coincidence we happen to live very close to the centre of the void or we are moving towards it. However, even if we are at the centre of the void, we can observe distant galaxy clusters, which are off-centre. In their frame of reference there should be a large CMB dipole, which manifests itself observationally for us as a kinematic Sunyaev-Zeldovich (kSZ) effect. kSZ observations give far stronger constraints on the LTB model compared to other observational probes such as Type Ia Supernovae, the CMB, and baryon acoustic oscillations. We show that current observations of only 9 clusters with large error bars already rule out LTB models with void sizes greater than approximately 1.5 Gpc and a significant underdensity, and that near future kSZ surveys like the Atacama Cosmology Telescope, South Pole Telescope, APEX telescope, or the Planck satellite will be able to strongly rule out or confirm LTB models with giga parsec sized voids. On the other hand, if the LTB model is confirmed by observations, a kSZ survey gives a unique possibility of directly reconstructing the expansion rate and underdensity profile of the void.

研究动机与目标

• 检验LTB空洞模型作为解释超新星变暗的暗能量替代方案的可行性。
• 评估在假设空洞位于本地的情况下，观测到的CMB偶极是否与之相容，因为非中心位置的星系团应表现出显著的kSZ信号。
• 评估kSZ观测在约束空洞参数（如大小和欠密度）方面的潜力。
• 预测未来kSZ巡天（ACT、SPT、Planck）在证实或排除LTB空洞模型方面的敏感度。

提出的方法

• 通过假设均匀大爆炸（GBH）以减少自由参数，对具有球对称、非均匀物质分布的LTB度规进行建模。
• 计算由于空洞中非均匀膨胀导致光子轨迹差异，在非中心星系团静止参考系中产生的CMB偶极。
• 推导星系团相对于CMB静止参考系的视向速度，该速度会引发可检测的微波背景各向异性的kSZ效应。
• 利用9个星系团的当前kSZ数据（误差较大）约束空洞参数，特别是半径和内部密度对比度。
• 预测kSZ巡天（ACT、SPT、APEX、Planck）对探测或排除不同尺寸空洞的未来敏感度。
• 将kSZ约束与来自SNe Ia、BAO和CMB的现有数据结合，以检验模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 kSZ效应是否能比其他宇宙学探针（如SNe Ia或CMB各向异性）对LTB空洞模型施加更强的约束？
• RQ2 在当前kSZ观测数据下，LTB模型中允许的最大空洞半径是多少？
• RQ3 未来kSZ巡天（如ACT和SPT）在排除吉帕秒差距量级空洞方面的能力如何比较？
• RQ4 当kSZ观测与其它数据集结合时，对GBH约束下的LTB模型的排除程度如何？
• RQ5 若LTB模型得到证实，kSZ巡天能否直接重建空洞的膨胀速率和欠密度分布？

主要发现

• 当前对9个星系团的kSZ观测（误差较大）已排除空洞尺寸大于约1.5 Gpc且具有显著欠密度的LTB模型。
• 当kSZ数据与SNe Ia、BAO和CMB数据结合时，受限于GBH的LTB模型在3-σ水平下基本被排除。
• 当前kSZ数据无法约束小空洞（r₀ ≤ 800 Mpc），因为它们不影响样本中红移最低的星系团。
• 若未来巡天能观测10个优质星系团，可在3-σ水平下排除半径800 Mpc的空洞；若观测100个星系团，则可将此范围扩展至500 Mpc半径。
• 若LTB模型得到证实，kSZ巡天将提供一种独特且直接的方法，用于重建空洞的密度和膨胀速率分布。
• kSZ效应被确定为约束LTB空洞模型最有力的观测探针，其对空洞结构的敏感度超过其他探针。