[論文レビュー] Can quintessence and phantom cause the late time acceleration of the Universe

Alvina Burgazli, Maxim Eingorn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、非一様構造と負の定数の状態方程式（EoS）パラメータ ω を持つ完全流体で支配される晩近宇宙におけるスカラー摂動を調査する。得られた結果は、重力ポテンシャルをスクリーニングできる唯一の流体は ω = −1/3（例：ひずみを含む宇宙的ストリングのネットワーク）であることが判明し、平坦、開、閉じた宇宙のいずれにおいても物理的に妥当な解が得られることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we consider the Universe at the late stage of its evolution and deep inside the cell of uniformity. At these scales, the Universe is filled with inhomogeneously distributed discrete structures (galaxies, groups and clusters of galaxies). Supposing that the Universe contains also the cosmological constant and a perfect fluid with a negative constant equation of state (EoS) parameter $\omega$ (e.g., quintessence, phantom or frustrated network of topological defects), we investigate scalar perturbations of the FRW metrics due to inhomogeneities. Our analysis shows that, to be compatible with the theory of scalar perturbations, this perfect fluid, first, should be clustered and, second, should have the equation of state parameter $\omega=-1/3$. In particular, this value corresponds to the frustrated network of cosmic strings. Therefore, the frustrated network of domain walls with $\omega =-2/3$ is ruled out. A perfect fluid with $\omega =-1/3$ neither accelerates nor decelerates the Universe. We also obtain the equation for the nonrelativistic gravitational potential created by a system of inhomogeneities. Due to the perfect fluid with $\omega = -1/3$, the physically reasonable solutions take place for flat, open and closed Universes. This perfect fluid is concentrated around the inhomogeneities and results in screening of the gravitational potential.

研究の動機と目的

• 晩近宇宙における非一様構造と宇宙定数を伴う完全流体が負の定数の状態方程式パラメータ ω を持つ場合、スカラー摂動理論と整合するかを評価すること。
• 非一様な宇宙論的モデル内での晩期加速を一貫して説明できる、クインテッセンス、ファントム、またはひずみを含むトポロジカルな欠陥がどの程度妥当かを特定すること。
• 非一様性の存在下で重力ポテンシャルに対して物理的に妥当な解を得られる特定の状態方程式パラメータ ω を同定すること。
• 銀河や銀河団のような離散的構造の周囲における流体の空間的分布と、重力ポテンシャルへのスクリーニング効果を分析すること。

提案手法

• 晩近宇宙を非一様な離散的構造（銀河、銀河団）と定数 ω を持つ完全流体を含むフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）計量としてモデル化する。
• FRW計量に線形スカラー摂動理論を適用し、非一様性によって誘発される重力ポテンシャルの揺らぎを研究する。
• 非一様性からの重力ポテンシャルの非相対論的式を導出する。この式には完全流体からの寄与も含む。
• 摂動に物理的整合性条件を課し、許容される ω の値を制限する。これには、流体が集団的であることと、安定な解が得られることを要件とする。
• 平坦、開、閉じた空間幾何における解を分析し、結果の一般性を評価する。
• 流体が集団的であることと、摂動方程式が物理的に意味のある解を生じることを条件として、必要な ω = −1/3 を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非一様な晩近宇宙におけるスカラー摂動理論と整合する状態方程式パラメータ ω の値は何か？
• RQ2 状態方程式パラメータ ω = −1（宇宙定数）または ω < −1（ファントム）の完全流体は、非一様性とスカラー摂動と一貫して共存可能か？
• RQ3 状態方程式パラメータ ω = −1/3 の流体が、異なる空間曲率の下でも物理的に妥当な重力ポテンシャル解をもたらすか？
• RQ4 流体は非一様性周囲の重力ポテンシャルにどのような役割を果たすか？
• RQ5 負の状態方程式パラメータを持つにもかかわらず、なぜひずみを含むドメインウォール（ω = −2/3）は除外されるのか？

主な発見

• 非一様性が存在する状況下で、スカラー摂動理論と整合するのは、状態方程式パラメータ ω = −1/3 の完全流体に限られる。
• 物理的に妥当な解を得るためには、流体が集団的でなければならない。非集団的または均一な分布は除外される。
• ω = −1/3 の流体は、宇宙全体の膨張を加速も減速もしないが、重力ポテンシャルにスクリーニング効果をもたらす。
• ω = −1/3 の場合、平坦、開、閉じた宇宙のいずれにおいても、重力ポテンシャルの解は物理的に有効である。
• ω = −1/3 を持つ宇宙的ストリングのひずみネットワークは、このような流体の妥当な候補である一方、ドメインウォール（ω = −2/6）は除外される。
• 流体は非一様性の周囲に集中し、有効な重力ポテンシャルを低下させることから、スクリーニング機構が存在することが示唆される。