[論文レビュー] A late-accelerating universe with no dark energy -- and no big bang

Richard A. Brown, Roy Maartens+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、DGPモデルからの赤外領域の修正と、高エネルギーストリング効果に起因する高周波数補正を、バルクにおけるガウス＝ボンネット項を介して組み合わせることで、ダークエネルギーを必要とせずに遅い時刻の加速を説明する修正されたブレーン・ワールド宇宙論を提案する。このモデルは、ビッグバン特異点を回避し、『静かで』曲率特異点から有限の密度と圧力で始まる宇宙を提示する。これにより、ダークエネルギーを必要としない初期および遅い宇宙の進化の新しい枠組みが提供される。

ABSTRACT

Brane-world models offer the possibility of explaining the late acceleration of the universe via infra-red modifications to General Relativity, rather than a dark energy field. However, one also expects ultra-violet modifications to General Relativity, when high-energy stringy effects in the early universe begin to grow. We generalize the DGP brane-world model via an ultra-violet modification, in the form of a Gauss-Bonnet term in the bulk action. The combination of infra-red and ultra-violet modifications produces an intriguing cosmology. The DGP feature of late-time acceleration without dark energy is preserved, but there is an entirely new feature -- there is no hot big bang in the early universe. The universe starts with finite density and pressure, from a "quiet" and "sudden" curvature singularity.

研究の動機と目的

• 高周波数の重力修正が、ブレーン・ワールド宇宙論におけるビッグバン特異点の必要性を排除できるかどうかを検討すること。
• DGP型の赤外領域の修正とバルク作用にガウス＝ボンネット項を組み合わせることで、ダークエネルギー場を必要とせずに遅い時刻の加速を達成できるかどうかを調査すること。
• 初期特異点を回避しながらも、遅い時刻の加速を維持する宇宙論的モデルを構築すること。
• 赤外領域と高周波数領域の重力修正を併用した場合の、宇宙の初期時刻における振る舞いを分析すること。

提案手法

• 高エネルギーのストリング的効果に起因する高周波数補正を考慮するため、バルク作用にガウス＝ボンネット項を導入することで、DGPブレーン・ワールドモデルを一般化する。
• ガウス＝ボンネット項を含めた状態でバルクの自由度を統合し、ブレーン上での有効アインシュタイン方程式を導出する。
• 修正された方程式の宇宙論的解を分析し、スケール因子とエネルギー密度の初期時刻および遅い時刻における振る舞いを検討する。
• スケール因子と曲率不変量における特異点を特定し、初期状態の性質を分類する。
• 修正されたフレリッドマン方程式を用いて、ダークエネルギー成分を含まずに遅い時刻の加速がどのような条件下で達成されるかを検討する。
• 初期時刻におけるハッブルパラメータとエネルギー密度の振る舞いを分析することで、初期特異点を『静的』かつ『急激』なものと特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク作用にガウス＝ボンネット項を導入することで、DGP型のブレーン・ワールドモデルにおける初期ビッグバン特異点を排除できるか？
• RQ2 赤外領域と高周波数領域の重力修正を併用しても、ダークエネルギー場を必要とせずに遅い時刻の加速を達成できるか？
• RQ3 この修正された宇宙論における初期特異点の性質は何か？また、標準的なビッグバン特異点とはどのように異なるか？
• RQ4 このモデルにおける宇宙の始まりにおけるエネルギー密度と圧力は、どのように振る舞うか？
• RQ5 このモデルは、無限の条件を避けて有限のエネルギー密度と圧力で始まる宇宙を記述できるか？

主な発見

• このモデルは、ダークエネルギー成分を必要とせず、DGPメカニズムの主要な特徴を維持したまま、遅い時刻の加速を示す。
• 宇宙はビッグバンではなく、有限のエネルギー密度と圧力を有する『静的』かつ『急激』な曲率特異点から始まる。
• 初期特異点は、有限のスケール因子とエネルギー密度を特徴とし、ハッブルパラメータが発散するため、膨張の急激な開始を示す。
• バルク作用にガウス＝ボンネット項を組み込むことで、初期ビッグバン特異点が効果的に抑制されつつ、遅い時刻の加速が維持される。
• 宇宙の進化は、特異点のない初期状態に整合しており、宇宙は高い曲率状態にありながらも有限のエネルギー条件から始まる。
• このモデルは、ビッグバンを有限の曲率駆動型初期状態に置き換えることで、標準宇宙論の妥当な代替案を提供する。