CMBコールドスポット

円で囲まれた部分がコールドスポットです。プランクのCMBマップ上の黒い線は各星座を示しており、コールドスポットはエリダヌス座にあります。青い円は天球上の赤道線です。画像はCelestiaで生成されました。
丸で囲まれた領域は、WMAP 内のコールド スポットです。

CMBコールドスポット、またはWMAPコールドスポットは、マイクロ波で観測される空の領域であり、宇宙マイクロ波背景放射（CMBR）の予想される特性に比べて異常に大きく、低温であることが分かっています。この「コールドスポット」は、CMBの平均温度（約2.7 K）よりも約70 μK（0.00007  K）低く、典型的な温度変化の二乗平均平方根はわずか18 μKです。[ 1 ] [注1 ]地点によっては、「コールドスポット」はCMBの平均温度よりも140 μKも低温になります。[ 2 ]

「コールドスポット」の半径は約5°で、銀河座標l II = 207.8°、b II = −56.3°（赤道：α = 03 h 15 m 05 s、δ = −19° 35′ 02″）を中心としています。したがって、南天半球、エリダヌス座の方向に位置しています。

通常、原始CMB温度の最大の変動は、約1°の角度スケールで発生します。したがって、一般的に受け入れられている理論モデルに基づくと、「コールドスポット」ほどの大きさの冷たい領域は、非常にありそうにありません。さまざまな代替説明が存在し、その中には、地球と原始CMBの間に存在する可能性のある、いわゆるエリダヌス超空洞またはグレートボイド（前景のボイドがCMBに対してコールドスポットを引き起こす可能性がある）が含まれます。このようなボイドは、統合されたサックス・ウォルフェ効果を介して観測されるCMBに影響を与え、観測可能な宇宙で最大の構造の1つになります。これは、赤方偏移でおよそ1億5000万～3億PC （5億～10億光年）、距離60億～100億光年[ 3 ]の非常に広大な宇宙領域であり、その赤方偏移での平均密度よりもはるかに小さい物質密度を含んでいます。

発見とその意義

CMBコールドスポットは、プランク衛星によっても同様の重要性で観測されました。画像はCelestiaプログラムによって生成されました。

ウィルキンソンマイクロ波異方性探査機（WMAP）によってデータが記録された最初の年に、エリダヌス座の空のある領域が周囲よりも寒いことがわかりました。[ 4 ]その後、3年間にわたってWMAPによって収集されたデータを使用して、そのような大規模な寒冷領域の統計的有意性が推定されました。ガウスシミュレーションで少なくとも同じくらい高い偏差が見つかる確率は1.85％であることがわかりました。[ 5 ]そのため、コールドスポットが宇宙のインフレーション中に量子ゆらぎの標準的なメカニズムによって生成された可能性は低いですが、不可能ではないようです。ほとんどのインフレーションモデルでは、このメカニズムによりガウス統計が生じます。コールドスポットは、上記の参考文献で示唆されているように、非ガウスの原始的ゆらぎのシグナルである可能性もあります。

一部の著者はこのコールドスポットの統計的意義に疑問を呈した。[ 6 ]

2013年には、CMBコールドスポットがプランク衛星[ 7 ]によっても同様の重要性で観測され、 WMAP衛星の 系統的誤差によって引き起こされた可能性は排除されました。

原始的な温度変動以外の考えられる原因

この大きな「コールドスポット」は、「悪の枢軸」と呼ばれるものの一部を形成している（このような構造は予想外だったためそう呼ばれている）。[ 8 ]

スーパーボイド

50個の超空洞が宇宙マイクロ波背景放射に及ぼすISWの平均痕跡：[ 9 ]カラースケールは-20～+20μK。

コールドスポットの考えられる説明の一つは、私たちと原始CMBの間に巨大な空隙が存在するというものです。大きな空隙が存在する場合、周囲の視線よりも低温の領域が観測されます。なぜなら、そのような空隙は「後期」統合サックス＝ウルフ効果と「通常の」サックス＝ウルフ効果の間の相殺を増加させるからです。[ 10 ]光子が空隙を通過する際にダークエネルギーが空隙を引き伸ばさなければ、この効果ははるかに小さくなります。 [ 11 ]

Rudnickら[ 12 ]は、コールドスポットの方向でNVSS銀河数に低下が見られることを発見し、これは大きなボイドの存在を示唆している。その後、いくつかの研究が「スーパーボイド」の説明に疑問を投げかけている。NVSSの低下とコールドスポットとの相関は、より保守的な統計解析を用いた結果、わずかであることがわかった。 [ 13 ]また、コールドスポット内の複数の1度四方の領域における銀河の直接調査でも、スーパーボイドの証拠は見つからなかった。[ 14 ]しかし、スーパーボイドの説明は完全に否定されたわけではなく、スーパーボイドがCMBに測定可能な影響を与える可能性があることから、依然として興味深い。[ 9 ] [ 15 ] [ 16 ]

2015年の研究では、直径18億光年で銀河系から30億光年離れたコールドスポットの方向に中心を持つ超空洞の存在が示されており、コールドスポットと関連している可能性が高い。[ 11 ]これは、検出されたボイドの中で最大のものであり、既知の最大の構造の一つとなる。[ 17 ] [注2 ]その後のサックス・ウルフ効果の測定でも、その存在の可能性が示されている。[ 18 ]

宇宙には巨大なボイドが存在することが知られているが、コールドスポットを説明するには、そのボイドは非常に巨大でなければならず、その体積は予想される典型的なボイドの1,000倍にもなるだろう。そのボイドは60億～100億光年の距離にあり、直径は10億光年近くに達すると予想され、 WMAPのコールドスポットが原始CMBに存在する可能性よりも、大規模構造において発生する可能性はさらに低いと考えられる。

2017年の研究[ 19 ]では、視線方向の関連する空隙がCMBコールドスポットの原因となったという証拠は示されなかったと報告され、代わりに原始的な起源を持つ可能性があると結論付けられました。

後期統合サックス・ウルフ効果を確認または排除するために重要なことの1つは、その領域内の銀河の質量プロファイルです。ISW効果は銀河の質量プロファイルとタイプに依存する銀河バイアスの影響を受けるためです。[ 20 ] [ 21 ]

2021年12月、ダークエネルギーサーベイ（DES）はデータを分析し、エリダヌス超空洞とCMBコールドスポットとの相関関係に関するさらなる証拠を提示した。[ 22 ] [ 23 ]

位相欠陥

2007年後半、クルーズら[ 24 ]は、コールドスポットは初期宇宙における相転移の名残である宇宙テクスチャに起因する可能性があると主張した。宇宙の欠陥に基づく他の説明、例えば宇宙ひもループの解凍なども提案されている[ 25 ]。

並行宇宙

ローラ・メルシニ＝ホートンによる議論を呼んでいる主張は、コールドスポットは、宇宙のインフレーションによって分離される前の宇宙間の量子もつれによって引き起こされた、私たちの宇宙の外にある別の宇宙の痕跡である可能性があるというものである。[ 3 ] 他の研究者は、コールドスポットを、やはりインフレーション以前の宇宙論的バブル衝突の結果としてモデル化している。[ 26 ] [ 27 ] [ 19 ]

高度な計算解析（コルモゴロフ複雑性を用いた）により、衛星データに南北のコールドスポットが存在する証拠が導き出された。[ 28 ]「…ランダム性が高い領域の中には、南側の非ガウス異常であるコールドスポットがあり、空隙の成層が予想される。その対応領域である北側のコールドスポットも存在し、他の低温領域とほぼ同様のランダム性特性を持つことが明らかになった。」しかし、南側のコールドスポットを除けば、様々な統計手法は一般的に北側のコールドスポットに関して相互に確認できていない。[ 29 ]北側のコールドスポットを検出するために使用された「Kマップ」は、標準モデルで測定されたランダム性の2倍の測定値を持つことが指摘されている。この差は、空隙によってもたらされたランダム性に起因すると推測されている（標準モデルよりもランダム性が増加した原因は、考慮されていない空隙であると推測されている）。[ 30 ]

方法を見つける感度

コールドスポットは、周囲の比較的高温のリングに比べて目立つため、主に異常とみなされます。スポット自体の大きさと冷たさだけを考えれば、異常ではありません。[ 6 ]より技術的には、その検出と重要性は、メキシカンハットウェーブレットなどの補正フィルターを使用して検出できるかどうかに依存します。

参照

注記

  1. ^共動宇宙静止系に対する地球の固有速度に起因するマイクロ波背景放射のドップラーシフトに起因する双極子異方性を差し引いた後。この特徴は、地球が約627 km/sの速度で乙女座に向かって移動していることと整合している。
  2. ^ Szapudiらは、新たに発見されたボイドは「人類がこれまでに特定した最大の構造」であると主張している。しかし、別の情報源によると、最大の構造は100億光年離れたNQ2-NQ4ガンマ線バーストの過密度に対応する超銀河団であるという。

参考文献

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