[論文レビュー] A unified cosmic evolution: Inflation to late time acceleration

Subenoy Chakraborty, Supriya Pan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非平衡熱力学を用いた粒子生成が、インフレーションから遅い時間加速に至る宇宙の進化を駆動する統一的宇宙論的モデルを提案する。2次非平衡熱力学におけるHubbleパラメータに依存する粒子生成率を用いることで、解析的解が得られ、ΛCDM時代を再現し、Planck観測データと一致する。初期段階および遅い時間段階でホーキングに類似した放射が示され、宇宙論的パラメータは宇宙時間にわたって複数の遷移を示す。

ABSTRACT

The present work deals with a cosmological model having particle creation mechanism in the framework of irreversible thermodynamics. In the second order non-equilibrium thermodynamical prescription, the particle creation rate is treated as the dissipative effect. The non-equilibrium thermodynamical process is assumed to be isentropic, and, as a consequence, the entropy per particle is constant, and, hence, the dissipative pressure can be expressed linearly in terms of the particle creation rate in the background of the homogeneous and isotropic flat FLRW model. By proper choice of the particle creation rate as a function of the Hubble parameter, the model shows the evolution of the universe starting from the inflationary scenario to the present accelerating phase, considering the cosmic matter as normal perfect fluid with barotropic equation of state.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーを導入せず、重力理論を修正せず、初期インフレーションと遅い時間加速の両方を説明する統一的宇宙論的モデルの構築を目的とする。
• 1次非平衡理論の限界を克服するため、因果的かつ安定な進化を保証する2次非平衡熱力学（アイザラ・シュタウルフォーマリズム）を用いる。
• Hubbleパラメータの関数として粒子生成率をモデル化することで、宇宙論的パラメータの解析的解を導出する。
• 宇宙論的パラメータ（ジャーブ、スナップ、レルク、m）の進化を解析し、宇宙時間にわたる変化を示す。
• 場の理論的同等性を検討し、最小カ ou pled スカラー場が有効な流体挙動を再現できることを示し、特に遅い時間極限で宇宙定数に近づくことを示す。

提案手法

• 空間的に平坦なFLRW宇宙を想定し、バロトropic状態方程式を有する完全流体に、粒子生成を散逸的過程として組み込む。
• 因果的かつ安定な体積粘性圧の進化を保証するため、2次非平衡熱力学（アイザラ・シュタウルフォーマリズム）を適用する。
• 粒子生成率Γと体積粘性圧Πの関係を線形化するため、エントロピー1粒子あたり一定（等エントロピー）の過程を仮定する。
• 宇宙進化の全期間（インフレーションから遅い時間加速まで）を記述するため、実験的Hubble依存粒子生成率Γ(H)を導入する。
• スケール因子、Hubbleパラメータ、減速パラメータ、温度、エントロピー、数密度の解析的解を導出する。
• 宇宙論的分析を実施し、宇宙時間関数としてジャーブ(j)、スナップ(s)、レルク(l)、mパラメータを計算・プロットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hubbleパラメータの関数としての単一の粒子生成率関数が、一貫した熱力学的枠組みの中で、インフレーションから遅い時間加速への宇宙進化を統一的に説明できるか？
• RQ2 2次粘性ダイナミクスを有する粒子生成モデルにおいて、宇宙論的パラメータ（ジャーブ、スナップ、レルク、m）はどのように宇宙時間にわたって変化するか？
• RQ3 このモデルにおける温度の進化の性質は何か？初期段階および遅い時間段階でホーキングに類似した放射を示すか？
• RQ4 場の理論において、最小カ ou pled スカラー場が、粒子生成モデルの有効流体挙動を再現できるか、特に遅い時間極限でそのポテンシャルが宇宙定数に近づくか？
• RQ5 モデルの解析的解は観測データ、特にPlanck 2015結果とどのように比較できるか？

主な発見

• スケール因子、Hubbleパラメータ、減速パラメータの解析的解が得られ、宇宙はde Sitterに類似したインフレーション的初期状態から遅い時間加速状態へと進化する。
• 宇宙論的パラメータは複数の遷移を示す：ジャーブは1回、スナップは3回、レルクは2回、mは2回の遷移が宇宙進化にわたって観察される。
• 初期宇宙では温度がT ∝ H^{1/2}に比例し、ホーキング型放射に類似しているが、正確なホーキング温度とは異なる。
• 遅い時間極限では温度がCMB温度に漸近的に近づき（T ∝ 1/a）、観測された宇宙マイクロ波背景放射と整合的である。
• モデルは漸近的にΛCDMパラダイムに近づき、Hubbleパラメータが定数に、粒子生成率が消滅する。これはPlanck 2015観測データと一致する。
• 自己相似的ポテンシャルを有する最小カ ou pled スカラー場が、宇宙流体と同等であることが判明し、そのポテンシャルは遅い時間極限で宇宙定数に近づく。