On the role and the implications of large-scale peculiar motions on the deceleration parameter of the universe

Abstract

No real observer in the universe follows the smooth Hubble expansion, but we all move relative to it. Our Milky Way and the Local Group of galaxies, in particular, drift at a speed of around 600 km/sec. Also, a great number of recent surveys have repeatedly confirmed the presence of large-scale peculiar motions, the so-called “bulk flows". Despite this, peculiar motions are typically bypassed in most theoretical studies and, in the few studies they are included, the analysis is almost always Newtonian and takes the viewpoint of the idealised Hubble-flow observers, rather than that of their real bulk-flow counterparts. As a result, the full implications of our motion relative to the smooth universal expansion may not have been fully accounted for. However, relative-motion effects have long been known to interfere with the way the associated observers interpret their cosmos. In fact, the history of astronomy is rife with examples where relative motions have led to a gross misinterpretation of reality. This Thesis aims to provide a fully relativistic treatment of bulk peculiar flows and to investigate their implications for the way we understand the mean kinematics of the universe we live in and more specifically its acceleration/deceleration rate. The latter is monitored by the deceleration parameter, which traditionally is positive in a decelerated cosmos and takes negative values in an accelerating one. Introducing a “tilted" cosmological model, we allow for two families of observers. The first follows the smooth Hubble flow, which also defines the reference frame of the universe, while the second group of observers lives in typical galaxies, like our Milky Way, that drift relative to it. Assuming a perturbed Friedmann universe filled with pressure-free dust, we show that the deceleration parameters measured by these two observer groups differ and that their difference is entirely due to relative-motion effects. In addition, using linear cosmological perturbations theory, we find that observers residing inside slightly contracting bulk flows may assign negative values to their locally measured deceleration parameter in a universe that is globally decelerating. Although this is an apparent local effect that is triggered solely by the observers' peculiar motion, the affected scales are typically large enough (between few hundred and several hundred Mpc) to create the false impression that the whole universe has recently entered a phase of accelerated expansion. Indications that the scenario outlined above may be true and that the inferred recent universal acceleration may be a mere illusion and an artefact of our peculiar motion relative should be sought in the data. These should contain, among the trademark signature of relative motion, namely an apparent (Doppler-like) dipolar anisotropy triggered by the observers' peculiar flow. In other words, in the data, the universe should appear to accelerate faster in one direction and equally slower in the opposite. Intriguingly, over the last ten years or so, there have been reports in the literature that such a dipole axis, may actually reside in the supernovae data. Put another way, our universe may indeed appear to accelerate faster towards one direction in the sky and equally slower along the antipodal.

Κανένας ρεαλιστικός παρατηρητής δεν ακολουθεί την ομαλή διαστολή του σύμπαντος, την λεγόμενη «ροή Hubble», αλλά όλοι κινούμαστε ως προς αυτή. Ειδικότερα, ο Γαλαξίας μας και το τοπικό σμήνος γαλαξιών, κινούνται με ταχύτητα περίπου 600km/s. Επίσης, ένας μεγάλος αριθμός πρόσφατων ερευνών έχει επανειλημμένα επιβεβαιώσει την παρουσία ίδιων κινήσεων μεγάλης κλίμακας, τις επονομαζόμενες και «bulk flows». Παρόλα αυτά, οι ίδιες κινήσεις συνήθως παρακάμπτονται στις περισσότερες θεωρητικές κοσμολογικές μελέτες, ενώ στις ελάχιστες που συνυπολογίζονται η ανάλυση είναι σχεδόν αποκλειστικά Νευτώνεια. Επί πλέον, οι μελέτες γίνονται από τη σκοπιά του ιδεατού παρατηρητή, αυτού που ακολουθεί την ομαλή διαστολή Hubble, και όχι του πραγματικού που έχει μία σχετική ιδιοταχύτητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι επιπτώσεις της ιδίας κίνησής του γαλαξία μας, ως προς την ομαλή διαστολή του σύμπαντος, να μην συνυπολογίζονται. Ωστόσο, είναι από καιρό γνωστό ότι φαινόμενα που συνδέονται με σχετική κίνηση επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο οι παρατηρητές ερμηνεύουν το περιβάλλον τους. Μάλιστα, η ιστορία της αστρονομίας είναι γεμάτη παραδείγματα όπου η σχετική κίνηση έχει οδηγήσει σε καταφανή παρερμηνεία της πραγματικότητας. Ο σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής είναι να προσφέρει μία σχετικιστική μελέτη των ίδιων κινήσεων και να ερευνήσει τις επιπτώσεις τους στον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τη μέση κινηματική συμπεριφορά του σύμπαντος που μας περιβάλει και πιο συγκεκριμένα τον ρυθμό επιτάχυνσης/επιβράδυνσης αυτού. Ο τελευταίος προσδιορίζεται από την παράμετρο επιβράδυνσης, η οποία παραδοσιακά είναι θετική όταν το σύμπαν επιβραδύνεται και αρνητική όταν επιταχύνεται. Εισάγοντας ένα «κεκλιμένο» (tilted) κοσμολογικό μοντέλο, επιτρέπουμε δύο οικογένειες παρατηρητών. Η πρώτη ακολουθεί την ομαλή ροή Hubble, η οποία ορίζει και το σύστημα αναφοράς του σύμπαντος, ενώ η δεύτερη οικογένεια ζει σε έναν τυπικό γαλαξία, όπως ο δικός μας (Milky Way), και κινείται ως προς την πρώτη. Θεωρώντας ότι το σύμπαν περιγράφεται από ένα διαταραγμένο κοσμολογικό μοντέλο Friedmann και υποθέτοντας ύλη με μηδενική πίεση, την επονομαζόμενη «σκόνη», δείξαμε ότι η παράμετρος επιβράδυνσης που μετρούν οι δύο παραπάνω παρατηρητές μπορεί να παίρνει αισθητά διαφορετική τιμή στα συστήματα αναφοράς τους και ότι η διαφορά αυτή οφείλεται αποκλειστικά και μόνο στη σχετική τους κίνηση. Επιπλέον, κάνοντας χρήση σχετικιστικής θεωρίας γραμμικών κοσμολογικών διαταραχών, δείξαμε ότι παρατηρητές που βρίσκονται εντός μίας ελαφρά συστελλόμενης bulk flow ενδέχεται να προσδίδουν αρνητικές τιμές στην δική τους, την τοπικά μετρούμενη, παράμετρο επιβράδυνσης, ενώ το σύμπαν σαν σύνολο να επιβραδύνεται. Αν και το γεγονός αυτό είναι τοπικό και οφείλεται αποκλειστικά στην ιδία κίνηση του παρατηρητή, οι περιοχές που επηρεάζονται είναι συνήθως αρκετά μεγάλες (από μερικές εκατοντάδες Mpc έως αρκετές εκατοντάδες Mpc), ώστε να δημιουργείται η λανθασμένη εντύπωση ότι ολόκληρο το σύμπαν έχει πρόσφατα περάσει σε φάση επιταχυνόμενης διαστολής. Ενδείξεις για την ορθότητα του παραπάνω σεναρίου και της πιθανότητας η πρόσφατη επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος να αποτελεί μία ψευδαίσθηση και ένα δημιούργημα της ιδίας κίνησης του γαλαξία μας, θα πρέπει να αναζητηθούν στα παρατηρησιακά δεδομένα. Αυτά, εκτός των άλλων, πρέπει να εμπεριέχουν την χαρακτηριστική υπογραφή, το «σήμα κατατεθέν», των ιδίων κινήσεων, δηλαδή μία φαινομενική (τύπου Doppler) διπολική ανισοτροπία που θα οφείλεται στην κίνηση του παρατηρητή. Με άλλα λόγια, στα παρατηρησιακά δεδομένα, το σύμπαν θα πρέπει να φαίνεται ότι επιταχύνεται ταχύτερα προς μία κατεύθυνση της ουράνιας σφαίρας και εξίσου βραδύτερα προς την αντιδιαμετρική. Τα τελευταία δέκα χρόνια υπάρχουν αρκετές αναφορές στη βιβλιογραφία ότι ένας διπολικός άξονας, όπως αυτός που προαναφέρθηκε, μπορεί πράγματι να υπάρχει στα δεδομένα των σουπερνόβα. Με άλλα λόγια, το σύμπαν μας μπορεί πράγματι να φαίνεται πως επιταχύνεται πιο γρήγορα προς μία κατεύθυνση στον ουρανό και εξίσου πιο αργά κατά μήκος του αντίποδα.