[论文解读] The Cosmic Microwave Background in an Inhomogeneous Universe

Chris Clarkson, Marco Regis|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出，物质和空间曲率的哈勃尺度非均匀性——特别是球对称空洞模型——可以在不引入暗能量的情况下解释Ia型超新星的黯淡现象。通过在分析中严格包含辐射动力学，作者表明在宇宙微波背景（CMB）距离处的开放模型无需精细调节即可拟合CMB功率谱，而渐近平坦的模型则需要额外假设。

ABSTRACT

The dimming of Type Ia supernovae could be the result of Hubble-scale inhomogeneity in the matter and spatial curvature, rather than signaling the presence of a dark energy component. A key challenge for such models is to fit the detailed spectrum of the cosmic microwave background (CMB). We present a detailed discussion of the small-scale CMB in an inhomogeneous universe, focusing on spherically symmetric `void' models. We allow for the dynamical effects of radiation while analyzing the problem, in contrast to other work which inadvertently fine tunes its spatial profile. This is a surprisingly important effect and we reach substantially different conclusions. Models which are open at CMB distances fit the CMB power spectrum without fine tuning; these models also fit the supernovae and local Hubble rate data which favours a high expansion rate. Asymptotically flat models may fit the CMB, but require some extra assumptions. We argue that a full treatment of the radiation in these models is necessary if we are to understand the correct constraints from the CMB, as well as other observations which rely on it, such as spectral distortions of the black body spectrum, the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect or the Baryon Acoustic Oscillations.

研究动机与目标

• 研究物质和曲率的哈勃尺度非均匀性是否可以在不依赖暗能量的情况下解释Ia型超新星的黯淡现象。
• 解决在非均匀模型中拟合宇宙微波背景（CMB）小尺度详细功率谱的挑战。
• 考察辐射动力学在球对称空洞模型中对CMB的影响，纠正先前工作中存在的疏漏。
• 评估在现实物理假设下，渐近平坦的空洞模型是否仍能拟合CMB数据。
• 确立对CMB观测进行完整辐射处理的必要性，包括光谱畸变和运动学Sunyaev-Zeldovich效应。

提出的方法

• 构建具有空间曲率和非均匀物质分布的球对称空洞模型。
• 在整个宇宙演化过程中纳入辐射的动力学效应，而非假设静态或精细调节的空间分布。
• 求解非均匀时空中的结构形成和辐射传输的完整广义相对论方程组。
• 使用考虑光在非均匀区域传播的数值解，计算这些模型中的CMB功率谱。
• 将预测的CMB功率谱与观测数据进行比较，以检验模型的一致性。
• 评估这些模型与超新星数据及本地测量的哈勃常数的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有哈勃尺度非均匀性的球对称空洞模型是否可以在不精细调节空间分布的情况下重现观测到的CMB功率谱？
• RQ2 与标准处理方法相比，辐射的动力学效应对非均匀模型中CMB各向异性的影响如何？
• RQ3 在CMB距离处的开放空洞模型是否能同时与CMB和超新星数据保持一致？
• RQ4 包括光谱畸变和运动学Sunyaev-Zeldovich效应在内的CMB观测，对非均匀模型施加了何种约束？
• RQ5 如果正确考虑了辐射动力学，渐近平坦的空洞模型是否仍能拟合CMB？

主要发现

• 在哈勃尺度上非均匀的开放空洞模型无需精细调节空间分布即可拟合观测到的CMB功率谱。
• 包含辐射动力学效应后得出的结论与以往假设静态或调制分布的模型有显著不同。
• 能够拟合CMB的同一类开放空洞模型也能重现Ia型超新星的观测黯淡现象，并与本地较高的哈勃速率一致。
• 渐近平坦的空洞模型虽可拟合CMB，但仅在额外假设下成立，表明其自然性低于开放模型。
• 对辐射进行完整处理对于从CMB观测中准确约束非均匀模型至关重要，包括次级效应如光谱畸变和运动学Sunyaev-Zeldovich效应。
• 结果表明，未来对非均匀宇宙学的分析必须包含辐射动力学，以避免对模型可行性得出误导性结论。