[論文レビュー] Bounce Models in Brane Cosmology and a Stability Condition

Hongya Liu|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2003

Astro and Planetary Science被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、2つの3-braneとバルクの宇宙定数を伴う5次元ブレーン宇宙論的モデルを提案し、ビッグバン特異点がエネルギー密度が有界のまま圧力が発散する有限サイズの「ビッグバンの反動（big bounce）」に置き換えられることを示している。Λ > 0 の場合、モデルはサイクルサイズが増加する振動的宇宙をもたらし、安定性条件からダークエネルギーがブレーンに束縛された粒子をバルクへ脱出させる要因となる可能性が示唆される。

ABSTRACT

Five-dimensional cosmological models with two 3-branes and with a buck cosmological constant are studied. It is found that for all the three cases ($\\Lambda =0$, $\\Lambda >0$, and $\\Lambda <0$), the conventional space-time singularity ``big bang'' could be replaced by a matter singularity ``big bounce'', at which the ``size'' of the universe and the energy density are finite while the pressure diverges, and across which the universe evolves from a pre-existing contracting phase to the present expanding phase. It is also found that for the $\\Lambda >0$ case the brane solutions could give an oscillating universe model in which the universe oscillates with each cosmic cycle begins from a ``big bounce'' and ends to a ``big crunch'', with a distinctive characteristic that in each subsequent cycle the universe expands to a larger size and then contracts to a smaller (but non-zero) size. By studying the gravitational force acted on a test particle in the bulk, a stability condition is derived and then is used to analyze those brane models. It predicts that if dark energy takes over ordinary matter, particles on the brane may become unstable in the sense that they may escape from our 4D-world and dissolve in the bulk due to the repulsive force of dark energy.

研究の動機と目的

• ブレーン宇宙論におけるビッグバン特異点が、2つの3-braneを伴う5次元モデルで特異的でない「ビッグバンの反動（big bounce）」に置き換えられるかどうかを調査すること。
• Λ = 0、Λ > 0、Λ < 0 の3つの場合について、反動を経由する宇宙の力学的挙動を分析すること。
• Λ > 0 の場合に、各サイクルが反動で始まりクランチで終わる振動的宇宙モデルの可能性を検討すること。このとき、各サイクルの最大膨張サイズが増加する。
• バルクの重力的力の影響を受けるブレーンに束縛された粒子の安定性条件を導出し、適用すること。
• 特に、ダークエネルギーの優位性がブレーンに閉じ込められた粒子の安定性に与える影響を評価すること、特にバルクへの脱出可能性を含めて。

提案手法

• バルクの宇宙定数と2つの3-braneを伴う5次元アインシュタイン方程式を定式化し、ブレーン・ワールドのシナリオをモデル化すること。
• 反動点におけるスケール因子とエネルギー密度の振る舞いを分析し、サイズとエネルギー密度の有限性を確認するとともに、圧力の発散を特定すること。
• Λ > 0 の場合の宇宙の進化を研究し、場の運動方程式の解を用いて、サイクルサイズが増加する周期的挙動を示すこと。
• バルク内のテスト粒子に働く重力的力の分析を通じて、安定性条件を導出すること。特に、バルクの宇宙定数の影響に注目すること。
• 安定性条件を適用し、ダークエネルギーの優位性が、ブレーンに束縛された粒子が高次元のバルクへ脱出する原因となる反発力の発生を引き起こすかどうかを検討すること。
• 導出された条件を用いて、ダークエネルギーが存在する中で3-braneに閉じ込められた粒子の長期的安定性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5次元ブレーン宇宙論において、バルクの宇宙定数を伴う場合、ビッグバン特異点が特異的でない「ビッグバンの反動（big bounce）」に置き換えられるか？
• RQ2 正の宇宙定数（Λ > 0）の存在が、このブレーンモデルにおける宇宙の周期的挙動にどのように影響するか？
• RQ3 Λ = 0、Λ > 0、Λ < 0 の各場合において、反動点における宇宙のサイズとエネルギー密度の挙動はいかなるものか？
• RQ4 バルク内のテスト粒子に働く重力的力は何か？ そして、それがブレーン上に存在する粒子の安定性にどのように寄与するか？
• RQ5 ダークエネルギーの優位性が、ブレーンに束縛された粒子の不安定化およびバルクへの脱出を引き起こす条件は何か？

主な発見

• Λ = 0、Λ > 0、Λ < 0 のすべてのケースにおいて、従来のビッグバン特異点は、宇宙のサイズとエネルギー密度が有限のまま圧力が発散する「ビッグバンの反動（big bounce）」と呼ばれる物質特異点に置き換えられる。
• Λ > 0 の場合、各サイクルが反動で始まりクランチで終わる振動的宇宙を支持する。各サイクルの最大膨張サイズは増加し、収縮サイズはゼロでないが小さくなる。
• ブレーンに束縛された粒子の安定性条件は、バルクの宇宙定数とブレーンの位置に依存する重力的力に基づいて導出された。
• 安定性条件は、ダークエネルギーが通常の物質を上回る場合、ダークエネルギーに起因する反発力がブレーン上に存在する粒子を不安定化させ、高次元のバルクへ脱出させる可能性があると予測する。
• 収縮から膨張への反動による遷移が特異的でない形で可能であることが確認され、ビッグバンの代替的非特異的モデルが得られた。
• 結果から、ダークエネルギーは宇宙の膨張に影響を与えるだけでなく、物質がブレーン上に局在する安定性に対しても不安定化効果を及ぼす可能性があることが示唆された。