[論文レビュー] An Holographic Cosmology

T. Banks, Willy Fischler|ArXiv.org|Nov 15, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 9被引用数 57

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙が状態方程式 $p = \rho$ を満たすブラックホールの密度の高いガスによって支配されるホログラフィックな宇宙論を提案する。この状態はホログラフィックエントロピー限界を満たしている。この状態における量子揺らぎがスケール不変な密度揺らぎスペクトルを生成し、ホーキング蒸発の後に放射支配の時代へと移行するが、因果律的制約により、これらの揺らぎの観測可能なスケールはホライズンよりも $10^7$ 倍小さいことが示唆され、$p=\rho$ 段階における場の理論的取り扱いに限界がある可能性を示している。

ABSTRACT

We present a new cosmological model, based on the holographic principle, which shares many of the virtues of inflation. The very earliest semiclassical era of the universe is dominated by a dense gas of black holes, with equation of state $p=ρ$. Fluctuations lead to an instability to a phase with a dilute gas of black holes, which later decays via Hawking radiation to a radiation dominated universe. The quantum fluctuations of the initial state give rise to a scale invariant spectrum of density perturbations, for a range of scales. We point out a problem, that appears to prevent the range of scales predicted by the model from coinciding with the range where such a spectrum has been observed. We speculate that this may be related to our field theoretic treatment of fluctuations in the highly holographic $p=ρ$ background. The monopole problem is solved in a manner completely different from inflationary models, and a relic density of highly charged extremal black monopoles is predicted. We discuss the nature of the entropy and flatness problems in our model.

研究の動機と目的

• ホログラフィー原理に基づくインフレーションに依存しない宇宙論的モデルを構築し、ホライズン問題と平坦性問題を解決すること。
• 状態方程式 $p=\rho$ のブラックホール流体における量子揺らぎによって、初期宇宙の密度揺らぎの起源を説明すること。
• 従来のGUTモノポールの代わりに、非常に電荷を帯びた極限的ブラックモノポールが形成されることで、モノポール問題を解決すること。
• 再加熱温度、核合成制約、およびダークマターをホログラフィックな枠組みで統合すること。
• θ角結合系におけるドライオンブラックホールのCPおよびバリオン数を破る崩壊が、バリオゲネシスに与える影響を調査すること。

提案手法

• 初期宇宙を、Fischler-Susskind-Boussoのエントロピー限界に達する $p = \rho$ の均一で密度の高いブラックホールガスとしてモデル化する。
• 量子および統計的揺らぎを $p=\rho$ 状態に適用し、$p=0$ の希釈なブラックホールガスへの相転移を誘発する。その後、ホーキング放射によって崩壊する。
• 曲がった時空における標準的場の量子論を用いて、$p=\rho$ 背景における重力場の長距離2点相関を計算する。
• ホライズンスケールにおける揺らぎの振幅がホライズンサイズに依存しないことを示すことにより、密度揺らぎのスケール不変性を導出する。
• ブラックホールが $p=\rho$ 段階で合体し、電荷が増加し、最終的に非常に電荷を帯びた極限的ブラックモノポールを形成するシナリオを構築する。
• 核合成およびモノポールの残存密度からの制約を用いて、大規模な希釈ガス領域の形成確率 $P_0$ を固定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 状態方程式 $p=\rho$ のブラックホール流体は、ホライズン問題と平坦性問題を解決するインフレーションの代替案として有効であるか？
• RQ2 状態方程式 $p=\rho$ の状態における量子揺らぎは、どのようにスケール不変な密度揺らぎスペクトルを生成するか？
• RQ3 予測された揺らぎスケールが観測されたCMBスケールよりも $10^7$ 倍小さいのはなぜか？ これは、場の理論的取り扱いの妥当性にどのような含意をもたらすか？
• RQ4 従来のGUTモノポールの代わりに、非常に電荷を帯びた極限的ブラックモノポールの形成によってモノポール問題を解決できるか？
• RQ5 θ角結合系におけるドライオンブラックホールのCPおよびバリオン数を破る崩壊が、バリオゲネシスおよび物質-反物質非対称性に与える影響は何か？

主な発見

• 状態方程式 $p=\rho$ のブラックホール流体は、ホログラフィックエントロピー限界に達することにより、インフレーションに依存しないホライズン問題と平坦性問題の解決策を提供する。
• 状態方程式 $p=\rho$ の状態における量子揺らぎは、スケール不変な密度揺らぎスペクトルを生成し、古典的不均一性に変換された後もその性質を保持する。
• このモデルは、核合成スケール未満の再加熱温度を予測しており、宇宙論的制約と整合的である。
• 非常に電荷を帯びた極限的ブラックモノポールの残存密度は観測限界をはるかに下回っているが、銀河中心部で検出可能である可能性がある。
• 予測された揺らぎスペクトルのスケールは、現在のホライズン半径の $10^7$ 倍小さいことが示され、これは非常にホログラフィックな $p=\rho$ 段階における場の理論的取り扱いに限界がある可能性を示唆している。
• このモデルは、電荷を帯びたブラックホールのCPおよびバリオン数を破る崩壊が、観測されたバリオン非対称性を自然に生成する可能性を示唆している。