Cosmological Distances: Calculation of distances in cosmological models with small-scale inhomogeneities and their use in observational cosmology

Phillip Helbig

Doctoral thesis at the University of Liège, Department of Astrophysics, Geophysics and Oceanography September 2021 (final version of thesis; oral defence was 19 October 2021)


Abstract

In cosmology, one often assumes that the universe is homogeneous and isotropic. While originally a simplifying assumption, today there is observational evidence that this is a good approximation in our Universe on scales above a few hundred megaparsecs. This approximation is often used when calculating various distances as a function of redshift, even though the scales probed by a beam of light are much smaller than the scale of homogeneity. Since our Universe is obviously not homogeneous and isotropic on small scales, it is at least conceivable that this could affect distance calculation.

Two models have been proposed in order to take such small-scale inhomogeneities into account in a relatively simple way. One, due to Zel'dovich, involves a two-component universe where one component is smoothly distributed and the other in clumps, with the assumption that, when calculating distance from redshift, light propagates far from all clumps. Under those assumptions, one can derive a second-order differential equation for the distance. This is a simple ansatz but it is not obvious how valid it is. Another approach, originally due to Einstein and Straus but developed with regard to cosmological-distance calculation by Kantowski, involves removing material from a spherical region of an otherwise smooth universe and redistributing it inside this sphere (e.g. as a point mass at the centre, as a shell at the boundary, or in a more complicated manner). This ansatz is more difficult for calculations, but is an exact solution of the Einstein equations, so there is no question about its validity (how realistic such a mass distribution is as a model of our Universe is a separate question). Long after both had been investigated in detail, Fleury showed that they are equivalent at a well controlled level of approximation.

After a review of the history of those two approaches, I present my own work in this area:~an efficient numerical implementation for the solution of the most general form of the differential equation (i.e. arbitrary values of λ0, Ω0, and the homogeneity parameter η, the last indicating the fraction of matter distributed smoothly), a discussion of the uncertainty in distance calculation due to uncertainty in the value of η, the effect of η on the calculation of H0 from gravitational-lens time delays, the effect of η on the separation between images in a gravitational-lens system, and the effect of η on the determination of λ0 and Ω0 from the magnitude—redshift relation for type Ia supernovae—including evidence that observations indicate that, in our Universe, the standard distance is a good approximation, even though small-scale inhomogeneities can be appreciable, probably because the Zel'dovich model does not accurately describe our Universe.

Résumé

En cosmologie, on suppose souvent que l'univers est homogène et isotrope. Bien qu'il s'agisse à l'origine une hypothèse simplificatrice, il est aujourd'hui preuvé par l'observation qu'il s'agit d' une bonne approximation dans notre Univers à échelles plus grand que quelques centaines de megaparsecs. Cette approximation est souvent utilisée pour calculer de diverses distances en fonction du décalage vers le rouge, même si les échelles sondées par un faisceau lumineux sont beaucoup plus petites que l'échelle d'homogénéité. Parceque notre Univers n'est évidemment pas homogène et isotrope à petite échelle, il est au moins concevable que cela pourrait affecter le calcul des distances.

Deux modéles ont été proposés afin de prendre en compte ces inhomogénéités à petit échelle de manière relativement simple. L'un, dû à Zel'dovich, involue un univers à deux composantes où l'une est distribuée de manière lisse et l'autre en touffes, avec l'hypothèse que, lors du calcul de la distance en fonction au décalage vers le rouge, la lumière se propage loin de tout les touffes. Sous ces hypothèses, on peut dériver un second ordre équation différentélle pour la distance. Il s'agit d'une approche simple, mais sa validité n'est pas évidente. Une autre approche, due à l'origine à Einstein et Straus mais développée par Kantowski en ce qui concerne le calcul de la distance cosmologique, consiste à retirer de la matière d'une région sphèrique d'un univers par ailleurs lisse et à la redistribuer à l'intéréur cette sphère (par exemple comme une masse ponctuelle au centre, comme une coque au frontière, ou d'une manière plus compliquée). Cet approche est plus difficile pour les calculs, mais elle consitue une solution exacte des équations d'Einstein, donc il n'y a aucun doute sur sa validité (le réalisme d'une telle distribution de masse comme un modèle de notre Univers est un autre question). Bien aprés que les deux modèles aient été étudiés en détail, Fleury ont montré qu'ils etaient équivalents à un niveau d'approximation bien contrôlé.

Après une revue de l'histoire de ces deux approches, je présente mon propre travail dans ce domaine: une implémentation numérique efficace du solution de la forme la plus générale de l'équation différentélle (i.e. valeurs arbitraires de lambda_0, Omega_0, et du paramètre d'homogénéité eta, ce dernier indiquant la fraction de matière distribuée de maniére lisse), une discussion sur l'incertitude du calcul de la distance due à l'incertitude de la valeur de eta, l'effet de eta sur le calcul de H0 du décalage temporel dans les lentilles gravitationnelles, l'effet de eta sur la séparation entre les images dans un système de lentilles gravitationnelles, et l'effet de eta sur la détermination de lambda_0 et Omega_0 de la m–z relation pour les supernovae de Type Ia —y compris la preuve que les observations indiquent que, dans notre Univers, la distance standard ne diffère pas sensiblement de la soi-disant distance ZKDR (un acronyme faisant référence aux pionniers dans le domaine du calcul de distance en univers inhomogénes) même à petite échelle les inhomogénéités peuvent être appreciables, probablement parce que le modèle de Zel'dovich ne décrit pas avec précision notre Univers.


info and local links to full paper | doi: 10.5281/zenodo.8116235 | ADS: 2021PhDT........14H | Google Scholar
ADS: 2022Obs...142...76H (abstract)
directory of Phillip Helbig's abstracts
Phillip Helbig's publications
Phillip Helbig's research
Phillip Helbig's home page
last modified on Wednesday, October 20, 2021 at 10:57:18 PM by helbig@ascameltro.multivax.de (remove animal to reply)