Isotropic non-Gaussian toy models

Isotropic non-Gaussian gNL-like toy models that reproduce the Cosmic Microwave Background anomalies

Recent observations of the Cosmic Microwave Background (CMB) have allowed claims for statistical anomalies in the behaviour of the CMB fluctuations to be made. Although the statistical significance of these remain only at the ∼(2-3)σ significance level, the fact that there are many different anomalies, several of which support a possible deviation from statistical isotropy, warrants the search for models affording a common mechanism to generate them. The goal of this paper is to investigate whether all these anomalies could originate from non-Gaussianity and to determine which properties such non-Gaussian models should have. We present a simple isotropic, non-Gaussian class of toy-models which can reproduce six heavily debated anomalies. We compare the presence of anomalies in simulated toy-model maps as well as Gaussian maps. We find that the following anomalies which are also found in Planck data, are commonly occuring in the toy-model maps: (1) Large scale hemispherical asymmetry (large scale dipolar modulation), (2) small scale hemispherical asymmetry (alignment of the spatial distribution of CMB power over all scales ℓ=[2,1500]) , (3) a strongly non-Gaussian hot or cold spot, (4) a low power spectrum amplitude for ℓ<30, including specifically (5) a low quadrupole and an unusual alignment between the quadrupole and the octopole, and (6) parity asymmetry of the lowest multipoles. We remark that this class of toy-models resembles models of primordial non-Gaussianity characterized by strongly scale-dependent gNL-like trispectra.

De senere mange års observationer af den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling (CMB) har tilladt påstande om statistiske anomalier i baggrundsstrålingens fluktuationer. Skønt den statistiske signifikans begrænser sig til et (2-3)σ-niveau, er det et faktum, at flere af disse anomalier støtter en mulig afvigelse fra statistisk isotropi. Disse anomalier definerer nogle faste retninger i rummet. Man er derfor på udkik efter en fælles fysisk mekanisme, som kan forklare alle anomalierne.

Det er artiklens formål at undersøge, om anomalierne kan skyldes en ikke-gaussisk fordeling af fluktuationerne, samt at bestemme, hvilke egenskaber sådanne ikke-gaussiske modeller må have. Forfatterne præsenterer en simpel isotrop, ikke-gaussisk klasse af legetøjsmodeller, som kan reproducere seks meget omdiskuterede anomalier.

Forfatterne er blevet inspireret af de ikke-liniære led i gravitationspotentialet, som forekommer i visse inflationsmodeller. De undersøger isotrope, men ikke-gaussiske modeller, hvori de ikke-gaussiske fluktioner er årsagen til den tilsyneladende afvigelse fra statistisk isotropi i de observerede data.

Inflationsmodeller kan have både 2.-ordens- og 3.-ordensled i gravitationspotentialet:

Φ(x) = ΦG(x) + fNLG2(x) – <ΦG2(x)>) + gNLΦG3(x)

ΦG(x) er den lineære gaussiske del af gravitationspotentialet. Baggrundsstrålingen har en kold plet, som kun kan frembringes af 3.-ordensleddet, så forfatterne retter opmærksomheden mod gNL-leddet. Forskerholdet bag Planck har imidlertid vist, et skalauafhængigt gNL-led ikke kan forklare anomalierne, så artiklen undersøger i stedet gNL-lignende legetøjsmodeller med en kraftig skalaafhængighed.

Forfatterne understreger, at artiklens formål ikke er at finde en fysisk model, som kan tilpasses de observerede data, men i stedet at bestemme, hvilke egenskaber en fysisk model må have.