Backreaction in Numerical Relativity: Averaging on Newtonian gauge-like hypersurfaces in Einstein Toolkit cosmological simulations
本文提出一种空间平均方案，利用 Einstein Toolkit 研究宇宙结构形成模拟中超曲面上的空间平均演化，发现宇宙反作用可忽略，但存在显著曲率涨落和流体流动，这对基于共动体积平均的研究具有重要意义。
2024-08-06 astro-ph.CO gr-qc
Redshift drift in an inhomogeneous universe: averaging and the backreaction conjecture
给出了统计均匀各向同性尘埃宇宙中平均红移漂移的表达式。该表达式采用与FLRW模型中红移漂移的表达式相同的形式。它是用于一个证明的原理研究的影响，通过结合两个区域模型的表达对红移漂移测量的反作用。研究表明，在低红移处，逆反应可以导致正的红移漂移，例证了在低红移处的正的红移漂移不需要暗能量。此外，该研究表明，没有暗能量成分的模型可以有一个平均红移漂移观测无法区分的标准模型根据目前预期的ELT测量精度。在附录中，球对称的解决方案，爱因斯坦方程与非均匀的暗能量和物质被用来研究偏离平均红移漂移和局部空洞的影响。
2022-01-19 astro-ph.CO
A Simple, Heuristic Derivation of our "No Backreaction" Results
我们提供了一个简单的讨论，我们的结果在宇宙学中的密度不均匀性的反反应效应，没有提到一个参数的家庭或弱限制。重点放在“平均”的方式和事实上，一个是解决爱因斯坦的方程。我们严格推导出我们原来的数学框架内的关键假设和结果，从而解释了启发式的方式。
2016-01-25 astro-ph.CO gr-qc
On the role of shear in cosmological averaging II: large voids, non-empty voids and a network of different voids
我们研究了剪切对宇宙学反作用的影响，在匹配的背景下，空洞和墙壁一起使用精确的非均匀Lemaitre-Tolman-Bondi解决方案。推广JCAP 1010（2010）021，我们允许空隙的尺寸是任意的，并且空隙和壁的密度在0 < Omega_v < Omega_w < 1的范围内变化。我们导出了反反应的精确解析结果，并考虑了它的级数展开式，即空穴尺寸与视界尺寸之比r_0/t_0的幂。此外，我们推导出一个非常简单的拟合公式的反反应的误差小于1%的空洞的大小为r_0 = t_0。我们还构造了一个精确的解决方案，网络的空隙具有不同的大小和密度，导致一个非零的相对方差的膨胀率之间的空隙。虽然单个空穴-壁对的逆反应的首阶项为（r_0/t_0）^2阶，但网络中不同空穴之间的相对方差为（r_0/t_0）^4阶，因此对于观察到的尺寸的空穴来说非常小。此外，我们表明，即使是非常大的空隙，抑制的逆反应的数量级相对于通过处理的墙壁和空隙作为不相交的弗里德曼解决方案获得的估计。由于剪切的反作用的抑制是否只是所使用的精确模型的限制的结果，或一个通用的功能，必须解决更复杂的解决方案。
2010-12-17 astro-ph.CO gr-qc
Light-cone averaging in cosmology: formalism and applications
我们提出了一个一般的规范不变的形式主义定义宇宙学的平均值，是相关的观测基于光的信号。这样的平均值要么涉及对应于一族过去光锥的零超曲面，要么涉及它们与类时超曲面相交所给出的紧致曲面。广义Buchert-Ehlers交换规则的衍生物，这些光锥平均。在引入了一些适应的“测地线光锥”坐标之后，我们给出了一般非均匀宇宙中平均红移与光度-距离关系和所谓的“红移漂移”的显式表达式。
2011-06-20 astro-ph.CO gr-qc hep-th
On the physical effects of consistent cosmological averaging
本文用宇宙学扰动理论研究了自洽的、定义良好的宇宙学平均对宇宙动力学和演化的反作用效应。在共动保体积规范下，利用微扰的Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker Einstein-de Sitter宇宙学解，计算了二阶膨胀标量和减速参数的表达式，并将其用于描述逆反应.我们发现哈勃参数相对于输入背景宇宙学模型的分数位移为Delta~10^{-5}，这导致了几倍于10^{-5}量级的有效能量密度。此外，我们发现，一个适当的措施的分数移位的减速参数Q是非常大的。
2013-08-23 astro-ph.CO gr-qc
On the role of shear in cosmological averaging
使用球对称的非均匀Lemaitre-Tolman-Bondi尘埃溶液，我们研究了剪切和反作用如何取决于空隙和墙壁之间的空间过渡的锐度和空隙的大小。这里考虑的空隙是物质密度为Ω ~ 0、膨胀率为Ht ~ 1的区域，而壁是物质密度为Ω ~ 1、膨胀率为Ht ~ 2/3的区域。结果表明，无论是体积平均剪切和膨胀率的方差增长成正比的过渡和发散的限制的阶跃函数的锐度，但对于现实尺寸的空隙，几乎是独立的空隙的大小。然而，由方差和剪切的差给出的反作用在阶跃函数极限中具有有限值。通过将反反应的精确结果与忽略剪切的情况进行比较，我们发现剪切对反反应的抑制系数为（r_0/t_0）^2，即空隙尺寸与视界尺寸的平方比。这说明了对不同膨胀率和密度的区域之间的界面使用精确解的重要性。这种抑制是合理的，也适用于补偿空洞网络，但如果宇宙由未补偿空洞主导，则可能不成立。
2010-07-17 astro-ph.CO gr-qc
Gauges and Cosmological Backreaction
我们提出了一种适用于一般时空和坐标的宇宙学空间平均的形式主义，并允许容易地纳入各种各样的物质来源。我们将这种形式主义应用于二阶扰动的Friedmann-LeMaitre-Robertson-Walker宇宙，并给出了在不固定规范下对背景的修正。然后，我们提出的修正，出现在一致曲率和共形牛顿规范。
2009-11-26 astro-ph.CO gr-qc
Averaged Lemaître-Tolman-Bondi dynamics
我们认为宇宙学的反反应效应在Buchert的平均形式主义的基础上明确的解决方案的Lemaintre-Tolman-Bondi（LTB）动力学是线性的LTB曲率参数，并有一个不均匀的爆炸时间。体积哈勃率被发现的体积比例因子，这代表了一个推导的最简单的唯象解决方案的Buchert的方程，其中的分数密度对应于平均曲率和运动学反作用明确确定的参数的基础LTB解决方案的边界处的平均体积。这种结构代表了一个完全可解的玩具模型，但它并不能充分描述我们的“真实”宇宙。
2016-12-15 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Cosmological Backreaction in Spherical and Plane Symmetric Dust-Filled Space-Times
我们研究的实施Buchert的和绿色和Wald的平均形式主义在精确的球对称和平面对称的充满灰尘的宇宙模型。我们发现，给定一个宇宙时空，布歇特的平均计划给出了一个忠实的方式来解释大规模的空间膨胀，明确的条款，精确量化的行为预期从弗里德曼方程的均匀和各向同性的宇宙模型的偏差。另一方面，格林和瓦尔德形式主义似乎没有给出任何关于给定非均匀时空的大尺度性质的信息。相反，这种形式主义的目的是计算周围的一个给定的“背景”的几何形状的短波长波动的反向反应的影响。我们发现，在这种方法中推断的空间膨胀是完全依赖于这个背景的选择，这是不是唯一指定的任何给定的非均匀时空，并从小尺度结构的“反作用”在我们研究的每一种情况下消失。这似乎限制了格林和瓦尔德的形式主义在研究真实宇宙中大尺度膨胀的适用性，而真实宇宙也没有预先定义的背景。需要进一步的研究，以提高这些平均形式主义的评价和比较，并确定是否存在同样的困难，在不太理想化的时空几何。
2019-09-19 astro-ph.CO gr-qc
Diffeomorphism-invariant averaging in quantum gravity and cosmology
本论文围绕高能引力物理的两个相关课题展开研究。第一个是构造一个显同态不变的精确重整化群（ERG）。这是一个通过将高能模式积分到紫外截止尺度而不需要规范固定来构建有效引力理论的过程。显式的自同构不变性使我们能够构建一个完全背景独立的配方。本论文将探讨固定背景和背景无关形式的明显非同态不变ERG。第二个主题是宇宙学的反作用，它涉及到在大尺度下描述宇宙的引力场方程的高频度规扰动的平均效应。这一点在广义相对论的未修正形式中已经得到了大量的研究，但在通过积分一些更基本的（量子）引力理论的高能模式而获得的高阶导数有效理论中，研究得要少得多。反作用的有效应力-能量张量可以直接作为引力波的同形不变的有效应力-能量张量，而不需要指定背景度规。本论文将在两种不同的方案下构造具有显同态不变的ERG，并计算经典水平下的有效作用量。然后，我们将转向高导数引力中的宇宙学反作用，推导出由于局部同态不变有效引力理论的不均匀性而产生的有效应力-能量张量的一般形式。这是一个令人兴奋的研究方向，因为它开始了引力的量子理论的构建，以及对宇宙学的可能影响的研究。
2016-12-20 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Cosmological Observations: Averaging on the Null Cone
宇宙在局部尺度上不是各向同性的或空间均匀的。在广义相对论中，局域非均匀性的平均化会对宇宙的演化和宇宙学数据的解释产生重要的动力学效应。特别是，所有关于宇宙学的推论都是基于光路的;平均可以对光子传播产生重要影响，从而对宇宙学观测产生重要影响。最好是从观测量的角度来描述平均的物理效应，并侧重于光的行为。数据（例如，物质项，如密度或星系数计数，它们已经表示为平均量）在零锥上给出。因此，考虑光锥平均量在观测上是有意义的。原则上，我们希望在零锥上描述宇宙学方程，因此我们需要在零锥上构造平均几何。然而，我们认为，它仍然是必要的平均完整的爱因斯坦场方程，以获得适当的平均方程的零锥。由于它不是几何本身出现在观测关系，我们讨论是否有可能协变“平均”只是一个子集的发展方程的零锥，专注于相关的观测量。我们提出了一个平均版本的标量零Raychaudhuri方程，这可能是一个有用的第一步，在这方面。
2009-05-14 astro-ph.CO gr-qc
Is there proof that backreaction of inhomogeneities is irrelevant in cosmology?
在许多论文中，格林和沃尔德认为，标准的FLRW模型在所有尺度上都非常接近我们的宇宙，除了接近强场天体。特别是，他们认为不均匀性对宇宙平均性质的影响（反向反应）是无关紧要的。我们表明，后者的要求是无效的。具体地说，我们证明，参考他们最近的评论文章，（i）他们的二维例子用于说明拟合问题不同于实际问题的重要方面，它假设了什么是要证明的：（ii）证明的无痕迹性质的反反应是非物理的，它的定理未能成为一个数学上的一般陈述;（iii）该计划的基础上的无迹定理不涉及平均，因此不捕捉关键的非局部效应;（iv）他们的论点是在很大程度上坐标依赖，（v）他们的许多批评的backreaction框架不适用于这些框架的定义。因此，认为格林和瓦尔德已经证明了宇宙学中关于逆反应的基本物理问题的一般性结果是不正确的。
2015-10-15 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Averaging inhomogeneities in scalar-tensor cosmology
在标量-张量引力的背景下研究了非均匀性对宇宙动力学的反作用。由于类Brans-Dicke标量场的非正则有效能量张量中的不确定符号项，可以产生对宇宙加速的额外贡献。Brans-Dicke引力和度规f（R）引力作为具体例子给出。这些理论所特有的形式主义的某些代表性问题被指出。
2009-10-02 astro-ph.CO gr-qc
Averaged universe confronted with cosmological observations: A fully covariant approach
广义相对论宇宙学中的一个突出问题是平均化问题。也就是说，我们在小尺度上观察到的明亮宇宙是如何平均到一个光滑的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克（FLRW）模型的。问题的根源在于，平均化不能与控制模型动力学的爱因斯坦方程交换。这就引出了宇宙学中众所周知的逆反应问题。在这项工作中，我们使用宏观引力（MG）的协变框架来处理这个问题。我们使用它的宇宙学解决方案与平坦FLRW宏观背景的平均宇宙不均匀性的结果已被封装到一个表示为$Ω_\mathcal{A}$的反反应密度参数。我们使用现有的宇宙学膨胀和增长数据集来约束这个平均宇宙，这些数据集包括第一次从普朗克温度各向异性和偏振数据中进行的完整CMB分析，来自Union 2.1的超新星数据，来自WiggleZ的星系功率谱，来自CFHTLenS调查的弱透镜层析剪切交叉相关和来自6Df的重子声学振荡数据，SDSS DR 7和BOSS DR 9。我们发现，$-0.0155 \le Ω_\mathcal{A} \le 0$（在68\% CL），从而提供了一个严格的上限上的反作用项。我们还发现，该术语是强烈相关的宇宙学参数，如$Ω_Λ$，$σ_8$和$H_0$。虽然小，几个百分点的反反应密度参数应该与其他系统学一起考虑精确的宇宙学。
2016-11-18 astro-ph.CO gr-qc
Probing Backreaction Effects with Supernova Data
由于爱因斯坦方程是非线性的，空间平均和时间演化并不互换。因此，平均宇宙的演化受到不均匀性的影响。然而，这些宇宙学的反反应效应究竟有多大，仍是一个极具争议的问题。我们使用红移为0.1的宪法超新星数据，以分析哈勃常数的测量在多大程度上受到影响。效果的大小取决于求平均值的体积的大小。然后将观测结果与逆反应机制理论进行比较。
2009-12-11 astro-ph.CO
Backreaction: Gauge and Frame Dependences
来自微扰的宇宙学反作用显然与规范有关，并且显然取决于平均哈勃速率的选择。我们考虑了两种常用的哈勃速率选择，并提倡使用共动体积保持规。我们突出了两个例子有效的适当秩序在微扰理论，均匀曲率规范，这是尽可能接近体积保持，和空间无痕的均匀冷暗物质规范，保持体积的线性顺序。我们证明了强大的规范和帧的依赖性平均。在无痕均匀CDM规范中，逆反应表现出很强的紫外发散，并且通过适当选择平滑尺度可以调谐到任意量级。在均匀曲率规范中，我们发现，对于锁定在空间表面的哈勃速率，逆反应完全消失，而对于由流体膨胀标量定义的哈勃速率，Einstein-de Sitter宇宙当前时期的有效能量密度为Ω_eff~5e-4，比共形牛顿规范中的结果稍大，但与以前的结果基本一致。
2013-05-13 astro-ph.CO gr-qc
Gauge-Invariant Average of Einstein Equations for finite Volumes
为了研究宇宙学的反向反应，需要一个渐进的过程。在这项工作中，协变和规范不变的平均形式主义有限体积将开发。这种平均将应用于爱因斯坦方程的标量部分。为此目的，尘埃作为一个物理实验室将被耦合到重力系统。目标是研究从均匀宇宙的偏离以及这种偏离对我们宇宙动力学的影响。物理观测者的领域被包括在所研究的系统中，并用于构建一个参考系，以执行平均没有正式的规范固定。导出的方程解决了反作用是否与规范有关的问题。
2014-10-23 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Safely smoothing spacetime: backreaction in relativistic cosmological simulations
暗能量研究中一个持续的主题是它是否真的存在。人们经常声称，我们忽视了与平均大尺度结构相关的影响，从而错误地计算了宇宙学模型。在牛顿近似中，这一点很清楚：没有效应。然而，在完整的相对论图景中，由于涉及复杂的数学，这仍然是一个重要的悬而未决的问题。我们使用粒子数值模拟来研究这个问题，这些粒子数值模拟考虑了所有相关的相对论效应，而没有任何来自壳层交叉的问题。在这种情况下，我们第一次表明，从结构的反向反应可以不同的许多数量级取决于切片的时空选择平均。在最坏的情况下，在同步空间表面中进行平滑，校正可以达到10%或更多。然而，当在牛顿规范的恒时超曲面上平滑时，反反应贡献仍然小3-5个数量级。
2018-12-06 astro-ph.CO gr-qc
Optimal covariant fitting to a Robertson-Walker metric and smallness of backreaction
我们定义了一类“最佳”坐标系，要求偏离精确的罗伯逊-沃克度量是“尽可能小”在一个给定的四维体积。优化是通过最小化几个体积积分，这将消失一个确切的罗伯逊-沃克度量。协方差是自动的。时空的叶是优化过程的一部分。这个过程只涉及度规，不需要对能量动量张量的原点作任何假设。比例因子在优化过程中不会出现，最佳比例因子在最后确定。一般公式是非微扰的。显式微扰处理是可能的。导致最佳坐标的移位服从欧拉-拉格朗日方程，该方程在一阶扰动中制定和求解。扩展到二阶的草图，但原来是不必要的。在坐标的选择上，唯一的自由度是保持罗伯逊-沃克度规形式不变的刚性变换，即空间和时间的平移、空间旋转和空间缩放。空间平均变得微不足道。在微扰的第一级，没有反作用。一个简化的二阶处理的结果在一个非常小的影响，排除了模仿暗能量从逆反应的可能性。这证实（以及矛盾）在文献中的陈述。
2011-11-24 astro-ph.CO gr-qc
Spatially averaged cosmology in an arbitrary coordinate system
本文提出了一个一般的平均程序的一组观察者是倾斜的宇宙物质流体。在给出了描述局域动力学的完整方程组后，我们定义了平均过程，并将其应用于爱因斯坦场方程的标量部分。除了标准的反作用，新的条款出现，占的特殊速度的物质流体的效果，以及可能的影响，在坐标系的移动。
2009-04-20 astro-ph.CO gr-qc
Lightcone Averaging and Precision Cosmology
本论文的第一个目的是填补宇宙学中对过去光锥的描述的不足：观测信号在其上传播的零超曲面。它的第二个目标是评估不均匀性在确定暗能量参数中的重要性，暗能量的真实性质仍然未知，物质结构的影响已被提出作为宇宙学的替代方案。我们首先定义了一个“测地线光锥”规范大大简化了光在宇宙中传播的研究。然后，我们定义了一个规范不变的平均标量在过去的光锥和计算上的光度通量的不均匀性的影响，考虑其功率谱的非线性制度。对通量的影响可以忽略不计，而像光度距离这样的观测量，在扰动的二阶计算，受到的影响要大得多。在发现Ia型超新星（SNe）暗能量的基础上，我们还研究了距离模。该模量的平均值仅受不均匀性的轻微影响，但其方差敏感地取决于它们。这些结果表明，在他们的假设，替代暗能量的结构的影响是不可能的，但在同一时间，强调他们的重要性上的分散的数据在哈勃图。主要的物理效应是SNe的奇异速度和弱透镜效应。我们对色散的预测与迄今为止进行的第一次分析非常一致，以检测超新星Ia数据中的透镜信号，并将在不久的将来进行测试。
2013-09-25 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Lagrangian theory of structure formation in relativistic cosmology II: average properties of a generic evolution model
研究了一般非均匀宇宙学模型的运动学和动力学性质，空间平均相对于自由落体（广义基本）观察员，物质模型无旋尘埃。转述以前的牛顿的调查，我们提出了一个相对论性的概括的反反应模型的基础上体积平均的相对论性Zeldovich近似。在这个模型中，我们调查的宇宙学参数的演变，因为它们被定义在一个平均的非均匀宇宙学的运动学的反反应的效果，我们表明，反反应模型之间的正交对称性之间的插值覆盖的子情况下的平面对称的解决方案，Lemaitre-Tolman-Bondi解决方案和Szekeres解决方案。因此，我们得到了一个强大的模型，奠定了基础，定量解决曲率不均匀性，因为它们将被解释为暗能量或暗物质在准牛顿宇宙学。本模型，具有有限的架构，由于假定FLRW背景，然而，能够取代1/4的所需量的暗能量域的直径为200 Mpc的典型（一西格玛）波动的CDM初始功率谱。然而，该模型远远不能在更大的尺度上（空间上）解释暗能量，其中对400 Mpc域的6%的影响可以追溯到今天的平均负内禀曲率。的定量结果的一个缺点是，时代时，反作用是有效的大尺度上，并导致体积加速在于未来的事实。我们讨论这个问题的初始光谱，暗物质的问题，巧合的问题，以及事实上，大规模的暗能量是对过去的光锥（而不是空间）的影响，我们指出未来研究的关键要素。
2013-06-11 astro-ph.CO gr-qc
Cosmological perturbations on an averaged background
School of Physical & Chemical Sciences, University of Canterbury（坎特伯雷大学物理与化学科学学院）
本文通过协变空间平均与协变且守恒的扰动理论结合，研究非线性不均匀性对晚期膨胀的反作用，分析其对大尺度结构线性增长的影响，并通过四个平均宇宙模型验证了反作用效应的重要性。
2025-12-09 astro-ph.CO gr-qc
Do stochastic inhomogeneities affect dark-energy precision measurements?
通过最近提出的协变和规范不变的光锥平均方法，计算了宇宙学扰动随机背景对光度-红移关系的影响。由此产生的表达式是免费的紫外和红外发散，这意味着这样的扰动不能模仿相当大的一部分暗能量。不同的平均值被估计，并且取决于被平均的光度距离的特定函数。能量通量，在大z扰动的影响最小，提出了精确估计的暗能量参数的最佳选择。然而，其不可约（随机）方差导致Ω_Λ（z）的统计误差通常在几个百分比的范围内。
2012-12-12 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Average and dispersion of the luminosity-redshift relation in the concordance model
从最近给出的二阶泊松规范中的亮度红移关系出发，我们计算了所谓的和谐模型的扰动的现实随机背景对组合光锥和各种光度距离函数的系综平均值及其方差的影响，作为红移的函数。我们应用规范不变的光锥平均处方，这是免费的红外和紫外发散，使我们的结果相对于相应的截止值的变化是强大的。我们的主要结论，部分已经在最近的一封信中预期的情况下，在线性制度计算的扰动谱，是这样的不均匀性不仅不能避免需要暗能量，但也不能阻止，在原则上，确定其参数的顺序$10^{-3}-10^{-5}$的准确性，这取决于平均观察和考虑的功率谱的制度。然而，考虑到在非线性制度中产生的适当的校正，我们预测接近10%水平的数据的不可约的分散，对于有限的统计，这将必然限制可达到的精度。预测的色散似乎是在良好的协议与目前的观测估计的距离模方差由于多普勒和透镜效应（分别在低和高红移），并代表了未来的精确测量的挑战。
2013-09-12 astro-ph.CO gr-qc hep-th
