[論文レビュー] Brane-world evolution with brane-bulk energy exchange

T.N. Tomaras|ArXiv.org|Apr 20, 2004

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、ゼロの有効な宇宙定数を有する非因子化五次元時空における、ブレーンとバルク間のエネルギー交換を伴うブレーン・ワールド宇宙論を調査する。エネルギー移動をブレーンエネルギー密度のべき乗関数としてモデル化することで、修正された宇宙論的方程式を導出し、エネルギー流入が真空中エネルギーが存在しない場合でも安定した加速的 de Sitter 時期を駆動できることを示している。一方、低密度解では、閉じた宇宙におけるダークマターの増強と遅れた再収縮が予測される。

ABSTRACT

A rich variety of brane cosmologies is obtained once one allows for energy exchange between the brane and the bulk, depending on the precise form of energy transfer, on the equation of state of matter on the brane and on the spatial topology. This is demonstrated in the context of a non-factorizable background geometry with zero effective cosmological constant on the brane. An accelerating era is generically a feature of these solutions. In the case of low-density flat universe more dark matter than in the conventional FRW picture is predicted, while spatially compact solutions are found to delay their re-collapse. In addition to the above, which the interested reader will find in greater detail in [1], a first attempt towards a complete description of the full dynamics of both the bulk and the brane is reported.

研究の動機と目的

• ブレーン上でのエネルギー保存の標準的仮定を超えて、ブレーンとバルク間のエネルギー交換を含む包括的なブレーン・ワールド宇宙論の枠組みを構築すること。
• 非因子化された追加次元とブレーン上でのゼロの有効な宇宙定数の下で、エネルギー移動が宇宙の進化に与える影響を分析すること。
• エネルギー交換のさまざまな形態の下で、加速的段階や固定点アトラクターを含む、新しい宇宙論的解の特定と特徴付けを行うこと。
• ブレーンとバルクの両方の動的記述の第一歩を提供し、特に漸近的遅い時間挙動を含むこと。
• 特に閉じた空間トポロジーにおけるダークマターの増強と遅れた再収縮に関連して、これらの解の現象論的妥当性を評価すること。

提案手法

• 定数のエネルギー運動量テンソルを有するブレーンとバルクを含む五次元アインシュタイン重力枠組みから、有効なブレーン宇宙論的方程式を導出する。
• インダクティブ重力の状況におけるゲージ粒子の放射にインspiredして、ブレーンとバルク間のエネルギー交換をブレーンエネルギー密度のべき乗関数としてモデル化する。
• 特に放射支配的および低密度領域の極限において、修正されたフレリッドマン型方程式を解析的に解く。
• 解の安定性と漸近的挙動を分析し、エネルギー流入下で安定した de Sitter アトラクターを含む固定点を同定する。
• バルクにおける標準的エネルギー条件の破れを検討するが、このような破れが物理的不整合を必然的に意味するとは限らないと主張する。
• 観測可能な宇宙論的進化（膨張率や減速度パラメータを含む）を記述するために、ブレーン上の誘導計量を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブレーンとバルク間のエネルギー交換は、ゼロの有効な宇宙定数を有する非因子化幾何における標準的ブレーン・ワールド宇宙論的進化をどのように変化させるか？
• RQ2 真空中エネルギーが存在しない場合でも、バルクからのエネルギー流入によって安定した加速的 de Sitter 段階がブレーン上に出現しうるか？
• RQ3 低密度で平坦なブレーン宇宙におけるエネルギー交換の宇宙論的影響は何か、特にダークマターの豊度に関してどうなるか？
• RQ4 エネルギー交換は、空間的に閉じたブレーン宇宙の力学にどのように影響するか、特に再収縮時刻に。
• RQ5 ブレーン・バルクエネルギー移動の本質的物理を捉えるために、バルクエネルギー運動量テンソルを一貫して無視できる範囲はどの程度か？

主な発見

• 定常的なバルクからのエネルギー流入がある場合、真空中エネルギーが存在しない場合でも、安定した de Sitter 固定点解が得られ、これは定常減速度パラメータ q = -1 を示す遅い時間における加速的宇宙に対応する。
• 低密度で平坦なブレーン宇宙では、エネルギー交換メカニズムのおかげで、標準的 FRW 宇宙論よりも高い有効なダークマター密度が予測される。
• 空間的に閉じたブレーン宇宙では、エネルギー流入が重力的収縮を抑制するため、標準的 FRW モデルと比較して再収縮が遅れる。
• 放射支配的領域では、実際のブレーン物質がバルクモードに崩壊することで、ミラージ放射効果が生じ、結果としてブレーン上では放射を模倣する。
• ブレーン上での定常エネルギー密度と圧力に対応する解は、状態方程式 w_b = -2/3 を持つ流体に対応し、ブレーン静止系においてエネルギー流入は定常的かつ負である。
• バルクで標準的エネルギー条件が破れているとしても、解は物理的に受け入れ可能であると考えられる。なぜなら、このような破れはファントムエネルギーなど他の文脈でも知られており、流体の状態方程式の代替解釈により物理的妥当性が回復される可能性があるからである。