[论文解读] Super-homogeneity and inhomogeneities in the large scale matter distribution

Francesco Sylos Labini|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用 4

一句话总结

本文研究了LCDM宇宙学中大尺度物质涨落在预测的超均匀性与星系巡天及CMBR数据中观测到的大尺度非均匀性之间的张力。文章认为，超均匀性未被证实——意味着标度不变功率谱的失效——挑战了标准结构形成模型的基础，特别是关于质量方差和低阶多极矩CMBR各向异性的行为。

ABSTRACT

Super-homogeneity is a property that is supposed to be satisfied by matter fluctuations in all standard theoretical models of structure formation, such as LCDM and its variants. This is a global condition on the correlation properties of the matter density field, which can be understood as a consistency constraint in the framework of FRW cosmology, and it corresponds to a very fine tuned balance between negative and positive correlations of density fluctuations and to the fastest possible decay of the normalized mass variance on large scales. By considering several galaxy samples, we discuss that these are characterized by the presence of large amplitude fluctuations with spatial extension limited only the size of the current samples. There is therefore a tension between the standard prediction of super-homogeneity and the detection of large scale inhomogeneities in the matter distribution at scales of the order of 100 Mpc/h. We discuss the theoretical implications of these results with respect to models of structure formation and to future galaxy and CMBR data, emphasizing the central role of the super-homogeneity property in the current description of fluctuations in FRW models.

研究动机与目标

• 评估星系巡天中的大尺度物质分布是否表现出标准宇宙学模型所预测的超均匀性。
• 研究在约100 Mpc/h尺度上观测到的大振幅涨落对LCDM模型有效性的含义。
• 评估CMBR各向异性的超均匀性缺失——特别是低四极矩和八极矩功率——是否挑战了原初涨落的标度不变性。
• 考察星系星表分析中的有限尺寸效应，可能解释先前研究中矛盾的结果。
• 如果观测上未证实超均匀性，质疑当前结构形成模型的理论一致性。

提出的方法

• 分析多个星系红移巡天，测量最大达100 Mpc/h尺度上的空间相关性和场间涨落。
• 将超均匀性作为FRW宇宙学中的一致性条件，定义为大尺度上归一化质量方差最快衰减的条件。
• 使用CMBR温度功率谱 $ C_{ heta} $ 及其多极矩 $ C_{ heta} $ 检测标度不变性的偏离，尤其关注低 $ heta $（大角尺度）的情况。
• 评估来自WMAP和Planck数据的两点相关函数 $ C( heta) $ 的 $ heta $-依赖性，以检测大于60度尺度上相关性的缺失。
• 将理论预测的 $ C_{ heta} \rightarrow 0 $ 在大 $ \theta $ 下的行为与观测数据进行比较，特别是低阶多极矩的低振幅特征。
• 评估系统效应和CMBR数据中前景污染的作用，尤其在观测到的低四极矩背景下。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系巡天是否表现出LCDM模型所预测的超均匀性？
• RQ2 在约100 Mpc/h尺度上观测到的大振幅涨落与理论预期的超均匀性之间存在多大程度的矛盾？
• RQ3 在大于60度的角尺度上，CMBR各向异性的观测相关性缺失是否与暴胀模型所预测的标度不变功率谱一致？
• RQ4 星系样本中的有限尺寸效应如何影响空间相关性的测量以及超均匀性的检测？
• RQ5 如果在星系或CMBR数据中均未证实超均匀性，其理论含义是什么？

主要发现

• 星系巡天显示出显著的非均匀性，延伸至100 Mpc/h，与LCDM预测的在约10 Mpc/h以上应占主导的超均匀性相矛盾。
• CMBR温度功率谱 $ C_{\theta} $ 在大于约60度的角尺度上表现出相关性缺失，与标准模型预期的标度不变性 $ C_{\theta} \rightarrow 0 $ 行为不一致。
• WMAP数据中观测到的低四极矩和八极矩振幅与LCDM预测不一致，其在随机实现中的出现概率小于0.025%。
• 初步的Planck数据表明CMBR四极矩接近零，支持WMAP中低功率可能源于系统效应而非宇宙学物理的假设。
• 在星系星表和CMBR各向异性中均未确认超均匀性，挑战了暴胀范式和原初涨落标度不变性的理论一致性。
• 星系样本中的有限尺寸效应被证明是导致不同研究中结果矛盾的原因之一，凸显了在大尺度结构分析中需谨慎处理统计方法的重要性。