[論文レビュー] Accelerating Cosmologies with an Anisotropic Equation of State: Vector Fields, Modified Gravity and Astrophysical Constraints

Tomi Koivisto, David F. Mota|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、Bianchi Iフレームワーク内での圧力異方性を示す方程式状態を有する場によって駆動される異方的宇宙論的モデルを調査し、歪度パラメータを用いて圧力異方性を定量化する。CMB四重極子の制約が異方性をきびしく縛っているが、それらの制約を回避できる妥当なモデルが存在し、大スケールCMB異常を説明できる可能性がある。線形摂動はローレンツ対称性の破れを示す理論との関連を示唆する。

ABSTRACT

We investigate cosmologies where the accelerated expansion of the Universe is driven by a field with an anisotropic equation of state. We model such scenarios within the Bianchi I framework, introducing two skewness parameters to quantify the deviation of pressure from isotropy. We study the dynamics of the background expansion in these models. A special case of anisotropic cosmological constant is analyzed in detail. The anisotropic expansion is then confronted with the redshift and angular distribution of the supernovae type Ia. In addition, we investigate the effects on the cosmic microwave background (CMB) anisotropies for which the main signature appears to be a quadrupole contribution. We find that the two skewness parameters can be very well constrained. Tightest bounds are imposed by the CMB quadrupole, but there are anisotropic models which avoid this bound completely. Within these bounds, the anisotropy can be beneficial as a potential explanation of various anomalous cosmological observations, especially in the CMB at the largest angles. We also consider the dynamics of linear perturbations in these models. The covariant approach is used to derive the general evolution equations for cosmological perturbations taking into account imperfect sources in an anisotropic background. The implications for the galaxy formation are then studied. These results might help to make contact between the observed anomalies in CMB and large scale structure and fundamental theories exhibiting Lorentz violation.

研究の動機と目的

• Bianchi I計量フレームワークを用いて、異方的状態方程式を有する場によって駆動される加速的宇宙膨張をモデル化すること。
• 2つの歪度パラメータを用いて圧力異方性を定量化し、それらが背景膨張に与える動的影響を分析すること。
• 特にIa型超新星の赤方偏移および方位分布、およびCMB異方性に対して、これらのモデルを観測データと照合すること。
• 異方的摂動の影響が銀河形成に与える影響、およびローレンツ対称性の破れを示す基本的理論との可能性のある関連を調査すること。

提案手法

• 2つの歪度パラメータを用いて、異方的圧力を有する場を伴うBianchi I時空における背景ダイナミクスを定式化すること。
• 不完全流体を伴う異方的背景における線形宇宙論的摂動の進化方程式を導出するための共変的アプローチを適用すること。
• 赤方偏移および方位分布に関するIa型超新星データを用いて、モデルのパラメータを制約すること。
• 異方性がCMB異方性、特に四重極子モーメントに与えるインプリントを分析し、主要な観測的特徴として位置づけること。
• 現在のデータと整合的でありながら、大スケールCMB異常を説明できる異方的モデルの妥当性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異方的状態方程式は、Bianchi I宇宙論において背景膨張ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 赤方偏移および方位分布に関するIa型超新星データは、異方的モデルをどの程度まで制約できるか？
• RQ3 異方性の特徴は、特に四重極子モーメントにおいてCMBにどのように現れるか？
• RQ4 異方的宇宙論は、新しい物理を導入せずに観測された大スケールCMB異常を説明できるか？
• RQ5 線形摂動は異方的背景でどのように進化するか？ そして、銀河形成およびローレンツ対称性の破れにどのような含意をもたらすか？

主な発見

• CMB四重極子が、状態方程式における異方性を定量化する2つの歪度パラメータに対して最もきびしい制約を与える。
• CMBによる強い制約にもかかわらず、四重極子制約を完全に回避できる妥当な異方的モデルが存在する。
• 異方的モデルは、特に最大スケールでのパワーの抑制が観測された大スケールCMB異常を説明できる可能性がある。
• 共変的形式主義により、不完全流体を伴う異方的背景における線形摂動の進化方程式が成功裏に導出された。
• 摂動のダイナミクスは、CMBおよび大スケール構造の観測された異常と、ローレンツ対称性の破れを示す理論との間の可能性のある関連を示唆する。
• 状態方程式の異方性は、銀河形成プロセスに影響を与える可能性があり、これにより観測的検証の道筋が提供される。