[论文解读] Redshift drift as a test for discriminating between different cosmological models

Priti Mishra, Marie-Noëlle Célérier+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文计算了一个特定轴对称准球形Szekeres（QSS）瑞士奶酪模型中的红移漂移，该模型此前在无需暗能量的情况下重现了Ia型超新星数据。结果表明，红移漂移可作为区分此非均匀模型、ΛCDM模型及其他LTB模型的强有力判据，为约束暗能量替代模型提供关键的观测检验。

ABSTRACT

Models of inhomogeneous universes constructed with exact solutions of Einstein's General Relativity have been proposed in the literature with the aim of reproducing the cosmological data without any need for a dark energy component. Besides large scale inhomogeneity models spherically symmetric around the observer, Swiss-cheese models have also been studied. Among them, Swiss-cheeses where the inhomogeneous patches are modeled by different particular Szekeres solutions have been used for reproducing the apparent dimming of the type Ia supernovae (SNIa). However, the problem of fitting such models to the SNIa data is completely degenerate and we need other constraints to fully characterize them. One of the tests which is known to be able to discriminate between different cosmological models is the redshift-drift. This drift has already been calculated by different authors for Lemaitre-Tolman-Bondi (LTB) models. We compute it here for one particular axially symmetric quasi-spherical Szekeres (QSS) Swiss-cheese which has previously been shown to reproduce to a good accuracy the SNIa data, and we compare the results to the drift in the $\Lambda$CDM model and in some LTB models that can be found in the literature. We show that it is a good discriminator between them. Then, we discuss our model's remaining degrees of freedom and propose a recipe to fully constrain them.

研究动机与目标

• 测试红移漂移是否能有效区分非均匀宇宙学模型与标准ΛCDM模型。
• 评估一种特定轴对称准球形Szekeres（QSS）瑞士奶酪模型的可行性，该模型在无需暗能量的情况下拟合Ia型超新星数据。
• 识别可完全确定QSS模型中剩余自由参数的观测约束。
• 比较QSS模型与ΛCDM模型及现有LTB模型的红移漂移预测。
• 提出一种系统性方法，利用红移漂移数据约束QSS模型中的自由度。

提出的方法

• 针对此前校准以拟合Ia型超新星数据的特定轴对称准球形Szekeres（QSS）瑞士奶酪模型，解析计算了红移漂移。
• 该模型假设观测者周围具有球对称性，其非均匀密度分布由特定Szekeres解描述。
• 红移漂移通过宇宙红移的时间导数推导得出，基于QSS框架下爱因斯坦方程的精确解。
• 将计算得到的漂移值与ΛCDM模型及文献中代表性Lemaitre-Tolman-Bondi（LTB）模型的预测值进行定量比较。
• 分析识别出影响漂移信号的关键参数，并提出利用未来红移漂移测量数据约束这些参数的策略。
• 该方法依赖于爱因斯坦方程的精确解，并在宇宙红移范围内对漂移函数进行数值计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 红移漂移能否有效区分ΛCDM模型与类似QSS瑞士奶酪模型的非均匀模型？
• RQ2 QSS模型中的红移漂移与标准LTB模型及ΛCDM模型相比，其定量差异如何？
• RQ3 QSS模型中影响红移漂移信号的剩余自由参数有哪些？
• RQ4 红移漂移测量能否提供唯一约束，以完全确定QSS模型的参数？
• RQ5 红移漂移是否是一种可行的观测检验手段，可用于排除或确认那些在无需暗能量的情况下拟合SNIa数据的非均匀模型？

主要发现

• QSS瑞士奶酪模型中的红移漂移与ΛCDM模型存在显著差异，使其成为区分两者的强有力判据。
• QSS模型中的红移漂移也与标准LTB模型不同，表明漂移信号对非均匀模型的特定几何结构和密度分布极为敏感。
• 该模型的红移漂移信号足够独特，未来高精度红移漂移观测可能用于排除或确认QSS模型。
• 本研究识别出QSS模型仍存在未确定的自由度，特别是与轴对称性及径向密度分布相关者。
• 提出一种方法，通过结合红移漂移测量与额外的宇宙学数据（如SNIa和CMB约束）来完全约束该模型。
• 结果表明，红移漂移是检验旨在替代暗能量的非均匀宇宙学模型的有力观测探针。