[论文解读] On astrophysical explanations due to cosmological inhomogeneities for the observational acceleration

Kenji Tomita|ArXiv.org|Jun 7, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文评估了非均匀宇宙学模型——特别是局部空洞模型和平均反冲模型——作为解释宇宙观测到的加速膨胀的暗能量替代方案，基于Ia型超新星数据。研究发现，大多数此类模型因与CMB、BAO及动力学Sunyaev-Zeldovich效应的一致性检验而被排除，仅剩极窄范围的参数可行，且在无宇宙学常数的情况下，需显著的扰动振幅或引力能量密度才能实现加速。

ABSTRACT

We review various cosmological models with a local underdense region (local void) and the averaged models with the backreaction of inhomogeneities, which have been proposed to explain (without assuming a positive cosmological constant) the observed accelerating behaviors appearing in the magnitude-redshift relation of SNIa. To clarify their reality, we consider their consistency with the other observational studies such as CMB temperature anisotropy, baryon acoustic oscillation, kinematic Sunyaev-Zeldovich effect, and so on. It is found as a result that many inhomogeneous models seem to be ruled out and only models with the parametrs in the narrow range remain to be examined, and that, unless we assume very high amplitudes of perturbations or gravitational energies, the averaged models cannot have the accelerated expansion and the fitted effective Lambda has not the value necessary for the observed acceleration.

研究动机与目标

• 评估宇宙中的非均匀性（如局部低密度空洞）是否可在不引入宇宙学常数的情况下解释Ia型超新星的视星等-红移关系。
• 检验局部空洞模型与平均反冲模型在CMB各向异性、重子声学振荡（BAO）及动力学Sunyaev-Zeldovich效应等多重独立观测下的自洽性。
• 确定通过拟合非均匀模型所获得的有效宇宙学常数是否与加速所要求的观测值一致。
• 在当前观测数据约束下，特别是无宇宙学常数的情况下，检验非均匀模型的可行性。
• 探讨引力能或高振幅扰动在这些模型中生成表观加速的作用。

提出的方法

• 使用Lemaître-Tolman-Bondi（LTB）解来建模具有中心低密度区域（局部空洞）和外部高密度区域的球对称非均匀时空。
• 应用Dyer-Roeder方程计算非均匀模型中的角直径距离，从而推导Ia型超新星的理论视星等-红移关系。
• 将非均匀模型的理论视星等-红移关系与观测结果进行比较，以评估拟合质量。
• 采用后牛顿近似和非线性扰动模型（如瑞士奶酪模型）通过拟合到具有Λ的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）模型来计算有效宇宙学常数。
• 对CMB温度各向异性、BAO尺度测量、动力学Sunyaev-Zeldovich效应及光谱畸变等观测数据进行一致性检验。
• 分析不同区域（空洞、墙、膨胀区）间引力能差异对时钟速率和表观膨胀动力学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零Λ宇宙中，局部低密度空洞是否能再现Ia型超新星的观测视星等-红移关系而无需引入暗能量？
• RQ2 在零Λ宇宙中，非均匀性引起的平均反冲效应与观测到的宇宙加速相比，其有效Λ如何？
• RQ3 CMB、BAO及动力学Sunyaev-Zeldovich观测对局部空洞模型及其参数施加了何种约束？
• RQ4 是否可通过将非均匀模型拟合到ΛCDM模型来获得所需的等效宇宙学常数？所需扰动振幅是多少？
• RQ5 引力能差异与高振幅扰动在非均匀模型中生成表观加速的过程中起何作用？

主要发现

• 许多局部空洞模型因与CMB温度各向异性的自洽性检验、BAO及动力学Sunyaev-Zeldovich效应不一致而被排除。
• 仅参数处于极窄范围的模型——特别是具有高振幅扰动或显著引力能贡献的模型——仍具可行性。
• 具有亚视界扰动的平均反冲模型，除非扰动振幅超过CMB归一化水平，否则无法产生足够加速或所需的等效Λ。
• 通过将非均匀模型拟合到ΛCDM所获得的有效Λ在后牛顿近似下仅为~0.004，远低于观测值（~0.75），表明典型扰动无法提供足够加速。
• 非线性扰动模型若振幅远超CMB归一化值，可产生与观测相当的等效Λ，但此类高振幅在观测上存疑。
• 超视界版本的局部空洞模型无法产生加速，除非扰动区域尺寸与EdS宇宙的视界半径相当，而此条件通常不成立。