[論文レビュー] Can Massive Gravitons be an Alternative to Dark Energy?

M. E. S. Alves, Oswaldo D. Miranda+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、ヴィッサーのアインシュタイン方程式の二重計量拡張を介して導入された巨大な重力ボソンが、ダークエネルギーを要請せずに自然に宇宙の加速を生じさせられるかを調査する。その結果、$1.95 \times 10^{-65}$ g程度の重力ボソン質量を持つ一貫性のある宇宙論的モデルが得られ、タイプIa超新星の観測データと$\Lambda$CDMモデルと同等に適合する。これは、低赤方偏移域において巨大重力ボソンモデルとダークエネルギーモデルとの間で退化が生じることを示している。

ABSTRACT

In this work, we explore some cosmological implications of the model proposed by M. Visser in 1998. In his approach, Visser intends to take in account mass for the graviton by means of an additional bimetric tensor in the Einstein's field equations. Our study has shown that a consistent cosmological model arises from Visser's approach. The most interesting feature is that an accelerated expansion phase naturally emerges from the cosmological model, and we do not need to postulate any kind of dark energy to explain the current observational data for distant type Ia supernovae (SNIa).

研究の動機と目的

• ヴィッサーの二重計量理論における巨大重力ボソンが、ダークエネルギーを仮定せずに宇宙の加速を説明できるかどうかを評価すること。
• モデルが宇宙の年齢と超新星データに関する観測的制約と整合しているかどうかを検証すること。
• 既存の太陽系および連星パルサーの限界と両立しつつ、宇宙論的観測によって重力ボソン質量を制限できるかを特定すること。
• 光度距離-赤方偏移関係のフィットにおいて、巨大重力ボソンモデルと$\Lambda$CDMモデルとの間の退化を調査すること。

提案手法

• vDVZ不連続性を回避するため、非動的平坦背景計量を導入するヴィッサーの二重計量形式を採用する。
• 弱場近似における線形化された場の方程式から、重力ボソン質量を摂動項として含めた修正フリードマン方程式を導出する。
• アスティエら（2006年）のSNIaデータとモデル予測を比較するため、光度距離の式$\mu = 5\log(d_L) - 5 + A$を用いる。
• スケール因子の時間発展と減速パラメータ$q_0$を解き、減速から加速への遷移を分析する。
• 太陽系の力学、銀河団、連星パルサーからの重力ボソン質量に関する観測的制限を適用し、モデルを制約する。
• 距離モジュラスと赤方偏移データを用いて、巨大重力ボソンモデルと$\Lambda$CDMモデルとの間で統計的比較を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヴィッサーの二重計量フレームワークにおける巨大重力ボソンモデルは、ダークエネルギーを仮定せずに宇宙の加速期を生じさせられるか？
• RQ2 宇宙論的観測と既存の天体物理学的限界と両立する重力ボソン質量の範囲は何か？
• RQ3 巨大重力ボソンモデルにおける光度距離-赤方偏移関係は、$\Lambda$CDMモデルおよびSNIaデータとどのように比較できるか？
• RQ4 低赤方偏移域の超新星観測において、巨大重力ボソンモデルと$\Lambda$CDMモデルとの間に退化が生じるか？
• RQ5 今後のテスト、例えばCMBパワースペクトルや構造形成の観測によって、二つのモデルの退化を解消できるか？

主な発見

• ヴィッサーの巨大重力ボソン理論から、観測と整合する宇宙の年齢を予測できる一貫性のある宇宙論的モデルが得られる。
• モデルはダークエネルギーを仮定せず、微調整を要せず、自然に加速膨張の段階を生じさせる。
• 重力ボソン質量が$m_g h_0^{-1} = 1.95 \times 10^{-65}$ gのとき、光度距離-赤方偏移曲線は$\Lambda$CDMモデルと区別できない。
• $1.74 \times 10^{-65}$ g付近の値では現在の減速（$q_0 > 0$）を予測し、$2.23 \times 10^{-65}$ gでは現在の加速（$q_0 < 0$）を予測する。低赤方偏移データにおけるこの二重性は、退化を示している。
• 太陽系の実験、銀河回転曲線、連星パルサー観測からのすべての既存の重力ボソン質量に関する観測的制限と両立している。
• SNIaデータだけでは、低赤方偏移域（$z \lesssim 1$）において、巨大重力ボソンモデルと$\Lambda$CDMモデルとの退化を解消できない。CMBや大規模構造といった追加のプローブの必要性が示唆される。