[論文レビュー] Astronomical tests for brane universes and the dark energy on the brane

Mariusz P. Da̧browski, Włodzimierz Godłowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、天文学的観測と照らし合わせてbrane宇宙論モデルを検証し、ダークエネルギー（p < -ρ）を伴うbraneモデルが、宇宙定数を必要とせずに超新星データに適合でき、観測と整合する高赤方偏移銀河の明るさを予測し、ダーク放射とbrane張力の影響で角度サイズの最小値や宇宙の年齢が顕著に変化することを示している。これらのモデルはz > 0.6でΛCDMと区別可能である。

ABSTRACT

We discuss astronomical tests (redshift-magnitude relation, angular size minimum, age of the universe) for brane cosmologies with various types of matter sources on the brane. Apart from dust $p = 0$, we impose ``sub-negative'' pressure matter $- \\varrho &lt; p &lt; 0$ (cosmic strings, domain walls) and ``super-negative'' pressure matter $p &lt; - \\varrho$ (dark energy) on the brane. We show that in the case of dust matter on the brane, the difference between the best-fit general relativistic model with a $\\Lambda$-term %\\cite{Perlmutter99} and the best-fit brane models becomes detectable for redshifts $z &gt; 0.6$. It is interesting that brane models predict brighter galaxies for such redshifts which is in agreement with the measurement of the $z = 1.7$ supernova %\\cite{Riess01} and with the New Data from the High Z Supernovae Search Team. %\\cite{schmit02}. We demonstrate that the fit to supernovae data can also be obtained if we admit super-negative dark energy on the brane without $\\Lambda$-term. We prove that the minimum of the angular size of galaxies is very sensitive to the amount of both dark radiation and brane tension which are unique characteristics of brane models. Despite ordinary radiation which increases the minimum, the negative values of dark radiation and brane tension can decrease it. The minimum disappears for some large negative contribution of dark radiation and brane tension. Finally, we show that the age of the universe can increase significantly for all models with dark energy on the brane.

研究の動機と目的

• さまざまな物質源（ダスト、宇宙ひも、ドメインウォール、ダークエネルギー）を伴うbrane宇宙論モデルの実現可能性を観測データと照らし合わせて評価すること。
• braneモデルが宇宙定数（Λ）を必要とせずに、超新星の距離モジュラスデータを再現できるかどうかを特定すること。
• ダーク放射とbrane張力が、遠方天体の角度サイズ最小値に与える影響を調査すること。
• brane-world状況下でのダークエネルギーが、宇宙の年齢に与える影響を評価すること。

提案手法

• ダスト、負の圧力（p ∈ (-ρ, 0)）および超負の圧力（p < -ρ）物質を伴うbraneモデルの赤方偏移-明るさ関係（距離モジュラス）を分析する。
• 角度サイズ最小値の計算にダーク放射とbrane張力の寄与を組み込み、銀河の角度直径距離関係を適用する。
• brane効果が修正したFriedmann方程式を用いて、braneモデルにおける宇宙の年齢を標準ΛCDMと比較する。
• 高赤方偏移超新星（例：Riess et al. 2001, High Z Supernovae Search Team）の観測データを用いて、モデルパラメータを制約する。
• 負のダーク放射およびbrane張力が、角度サイズ最小値に与える感度を評価する。
• brane上の修正Friedmann方程式を解き、宇宙論的進化を導出し、標準一般相対性理論の予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 brane上にダークエネルギーがあるbrane宇宙論は、Λ項を必要とせず、観測された超新星距離モジュラスを再現できるか？
• RQ2 ダーク放射とbrane張力の存在が、braneモデルにおける遠方銀河の最小角度サイズに与える影響は何か？
• RQ3 ダークエネルギーを伴うbraneモデルにおける宇宙の年齢は予測されるか？ そして、ΛCDMと比較するとどうなるか？
• RQ4 赤方偏移-明るさ関係において、braneモデルとΛCDMとの間で差が検出可能になる赤方偏移はどの程度か？
• RQ5 負のダーク放射およびbrane張力は、角度サイズ最小値を完全に消去できるか？

主な発見

• brane上にダークエネルギー（p < -ρ）を有するモデルは、宇宙定数を必要とせず、ΛCDMモデルと同等に高赤方偏移超新星データに適合できる。
• z > 0.6では、brane上にダストを有するモデルは、ΛCDMよりも明るい銀河を予測し、z = 1.7の超新星観測データと整合的である。
• 角度サイズ最小値は、ダーク放射およびbrane張力の両方に強く依存しており、負の値が最小値を小さくし、場合によっては完全に消去する可能性がある。
• ダーク放射とbrane張力が大きな負の値で寄与すると、角度サイズ最小値は消失する。
• すべてのダークエネルギーを伴うbraneモデルにおいて、宇宙の年齢は標準モデルと比べて顕著に増加する。
• brane上に超負の圧力物質（ダークエネルギー）を有するモデルは、超新星の明るさ距離データを説明するためのΛCDMの代替として有効である。