[論文レビュー] Accelerated expansion without dark energy

Dominik J. Schwarz|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 35

ひとこと要約

この論文は、大規模構造形成中の散逸的・反摩擦的過程によって生じる負の体積圧を有する寒冷暗黒物質（CDM）から宇宙の加速度的膨張が生じることを提案し、ダークエネルギーの必要性を排除する。不完全流体としてのCDMモデルに有効な反摩擦力が含まれる場合、標準のΛCDMモデルと同等に超新星、CMB、大規模構造の観測データに適合でき、スケールに依存する有効状態方程式を有する単一のダーク成分であることを示唆している。

ABSTRACT

The fact that the LambdaCDM model fits the observations does not necessarily imply the physical existence of `dark energy'. Dropping the assumption that cold dark matter (CDM) is a perfect fluid opens the possibility to fit the data without dark energy. For imperfect CDM, negative bulk pressure is favoured by thermodynamical arguments and might drive the cosmic acceleration. The coincidence between the onset of accelerated expansion and the epoch of structure formation at large scales might suggest that the two phenomena are linked. A specific example is considered in which effective (anti-frictional) forces, which may be due to dissipative processes during the formation of inhomogeneities, give rise to accelerated expansion of a CDM universe.

研究の動機と目的

• 寒冷暗黒物質（CDM）が完全流体でないという仮定を緩めることで、ダークエネルギーを導入せずに宇宙の加速度的膨張を説明できるかを調査すること。
• 大規模構造形成中の散逸的過程が有効な反摩擦力の生成を引き起こす可能性があるかを検討すること。
• 非ゼロの体積圧を有する単一のCDM成分が、ΛCDMモデルの観測的成功を再現できるかをテストすること。
• 構造形成の時代と加速度の開始が一致するという宇宙論的一致問題を、構造形成の時代に加速度の開始を関連付けることで解決すること。

提案手法

• CDMを動的圧力Π ≠ 0を有する不完全流体としてモデル化し、P = p + Πとし、CDMではp ≈ 0とする。
• 熱力学的議論を用いて、膨張宇宙における第二法則からΠ ≤ 0（負の体積圧）が要求されることを示す。
• ニュートン的極限で有効な反摩擦力F ≈ −B(m,t)m vを導入し、B < 0が負の圧力を示す。
• 動的圧力をP ≈ (B/H)ρとして導出し、負のBが負のPをもたらすことを示す。
• 時間発展をモデル化するため、次元的アンサンブルとしてB(t₀) = −νH₀（ν ≈ O(1)）を用いる。
• B(z)の3通りの関数形をテストし、そのうちの1つ（B(z) = −ν(H₀/H)H₀）がΛCDMモデルと動的に同等のモデルを生成することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDMが完全流体でない場合、ダークエネルギーを導入せずに宇宙の加速度的膨張を説明できるか？
• RQ2 CDMにおける負の体積圧の物理的起源は何か？また、熱力学的に整合的か？
• RQ3 構造形成のダイナミクスから生じる有効な反摩擦力が、観測された宇宙膨張歴を再現できるか？
• RQ4 このモデルにおいて、加速度の開始と大規模構造形成の時期の一致に因果的説明が可能か？
• RQ5 CDMのスケールおよび時間に依存する有効状態方程式は、宇宙論的データにどのような観測的兆候を残すか？

主な発見

• 膨張宇宙における第二法則から、CDMにおける負の体積圧（Π ≤ 0）が熱力学的に要求される。
• B < 0の有効な反摩擦力が、負の動的圧力P ≈ (B/H)ρを生成し、加速的膨張を引き起こす。
• 特定のアンサンブルB(z) = −ν(H₀/H)H₀（ν ≈ O(1)）が、ΛCDMモデルと動的に同等のモデルを生成し、超新星、CMB、大規模構造データに標準のΛCDMモデルと同等に適合する。
• このモデルは、構造形成の時代に加速度の開始を関連付けることで、宇宙論的一致問題を自然に説明する。
• 観測的兆候として、CDMの時間的・スケール依存の有効状態方程式が現れ、大スケール（CMB）ではP/ρ ≈ −0.7、クラスタースケールではP/ρ ≈ −0.2となる。