[論文レビュー] Backreaction as an alternative to dark energy and modified gravity

Syksy Räsänen|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 58被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、通常はダークエネルギーまたは修正重力に起因するとされる観測された宇宙の加速が、非一様な宇宙論におけるバックレアクション効果に起因する可能性を提案している。バックレアクション効果とは、非線形構造形成が平均的膨張率に影響を与える現象である。ブルヘルト形式を用いて、体積平均の膨張が非一様性によって加速することが示され、観測された約100億年の時間スケールを再現するとともに、新物理を導入せずに距離と膨張率の予測における2倍の乖離を説明できる。

ABSTRACT

The predictions of homogeneous and isotropic cosmological models with ordinary matter and gravity are off by a factor of two in the late universe. One possible explanation is the known breakdown of homogeneity and isotropy due to the formation of non-linear structures. We review how inhomogeneities affect the average expansion rate and can lead to acceleration, and consider a semi-realistic model where the observed timescale of ten billion years emerges from structure formation. We also discuss the relation between the average expansion rate and observed quantities.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙の加速が、通常はダークエネルギーまたは修正重力に起因するとされるが、代わりに非一様時空におけるバックレアクションに起因する可能性があるかを調査すること。
• 後期において非線形構造形成によって生じる均一性および等方性の破綻が、距離と膨張率の予測における既知の2倍の乖離を説明できるかを評価すること。
• 半現実的な構造形成モデルを用いて、バックレアクションが観測と整合する有効な加速を生じるかをテストすること。
• 角直径距離と膨張率の関係を用いて、バックレアクション効果を標準的なダークエネルギーまたは修正重力モデルと区別すること。

提案手法

• 非一様でダスト支配の宇宙空間に適用したブルヘルト形式を用いて、運動方程式の平均化を導出する。
• ブルヘルト形式の有効アインシュタイン方程式を用いて、バックレアクション項を含めた平均的膨張率とその時間発展をモデル化する。
• 有効加速の発現に至る時間スケールを推定するため、半現実的な構造形成モデルを構築し、観測された約100億年と一致させる。
• 平均的膨張率 $ H(z) $ と角直径距離 $ D_A(z) $ の関係を分析し、非一様性の影響でFRW予測とは異なる結果が得られることを示す。
• バックレアクション効果を標準 $\Lambda$CDM および FRW モデルと比較し、光の伝播および赤方偏移-距離関係がどのように変化するかに注目する。
• 一般相対性理論における非ニュートン的効果の役割を評価し、ニュートン的宇宙論ではバックレアクションが無視可能だが、完全な一般相対性理論では顕著であると主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙の加速は、ダークエネルギーではなく、非一様な構造形成に起因するバックレアクションによって説明可能か？
• RQ2 バックレアクションが平均的膨張率に顕著な効果を及ぼす時間スケールは何か？ そして、観測された約100億年と一致するか？
• RQ3 バックレアクションモデルにおける角直径距離と膨張率の関係は、標準的なFRWモデルとどのように異なるか？
• RQ4 距離と膨張率の予測における観測された乖離（2倍の差）は、新物理を導入せずに非一様性によって説明可能か？
• RQ5 非ニュートン的重力は、宇宙構造形成における顕著なバックレアクション効果を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 非一様な宇宙論におけるバックレアクションは、特異な物質が存在しないダスト支配の宇宙でも、平均的膨張率の有効な加速を引き起こす可能性がある。
• 半現実的な構造形成モデルにより、有効加速の発現に約100億年という観測された時間スケールが再現された。
• バックレアクションモデルにおける平均的膨張率は、非一様性の影響でFRW予測と乖離し、特に $ H(z) $ と $ D_A(z) $ の関係が特徴的なシグネチャを示す。
• バックレアクションモデルでは、$ H(z) $ と $ \rho + p $ の組み合わせの影響で、観測された光度距離が $\Lambda$CDMの予測にバイアスを受ける傾向があり、観測された状態方程式 $ w \approx -1 $ を説明できる可能性がある。
• バックレアクション効果はニュートン的宇宙論では無視可能だが、完全な一般相対性理論では非ニュートン的重力効果の影響で顕著になる。
• FRWの整合性条件（$ D_A(z) $ と $ H(z) $ の関係）の破れは、バックレアクションをダークエネルギーまたは修正重力モデルと区別するための独自の観測的テストを提供する。