[論文レビュー] Connections among three roads to cosmic acceleration: decaying vacuum, bulk viscosity, and nonlinear fluids

Sandro Silva e Costa, Martı́n Makler|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、減衰する真空中エネルギー、体積粘性圧力、非線形流体の3つの宇宙加速モデルの間で形式的な同等性を確立し、特定の条件下でそれらが同一の背景膨張歴を示すことを示している。また、スケール因子の進化に対する新しい解析的解を導出し、超新星の距離-赤方偏移関係などの背景データのみを用いて、これらのモデルが観測的に区別できないことを示している。

ABSTRACT

We discuss the connection among three distinct classes of models often used to explain the late cosmic acceleration: decaying cosmological term, bulk viscous pressure, and nonlinear fluids. We focus on models that are equivalent at zeroth order, in the sense they lead to the same solutions for the evolution of the scale factor. More specifically, we show explicit examples where this equivalence is manifest, which include some well know models belonging to each class, such as a power law Lambda-term, a model with constant viscosity, and the Modified Chaplygin Gas. We also obtain new analytic solutions for some of these models, including a new Ansatz for the cosmic term.

研究の動機と目的

• 減衰する真空中エネルギー、体積粘性圧力、非線形流体の3つの異なる宇宙加速モデルの間の形式的関係を確立すること。
• 特定の条件下で、これらのモデルがスケール因子の背景的進化を同一に生じさせることを示し、均一宇宙論のレベルで物理的同等性を示すこと。
• 特に減衰するΛ項に対する新しいアンザッツを含む、特定のモデルにおけるスケール因子の新しい解析的解を導出すること。
• これらの同等なモデルが、超新星の距離-赤方偏移関係などの背景的宇宙論的データのみを用いて観測的に区別可能かどうかを調査すること。
• 今後の摂動および熱力学的挙動に関する研究の基盤を築くこと。

提案手法

• Friedmann方程式を用いて、減衰するΛ、体積粘性圧力、特定の状態方程式を有する非線形流体の3つの枠組みにおけるスケール因子の進化を比較する。
• 各モデルのエネルギー運動量テンソル成分の間の形式的マッピングを適用し、零次近似における均一な膨張率の同等性を示す。
• 解析的手法を用いて、特にべき則的Λ、定常粘性、修正チャプリン・ガス（MCG）モデルなどの特定のケースにおけるスケール因子の微分方程式を解く。
• 時間依存する宇宙定数項の正確な解析的解を可能にする、新しいアンザッツを導入する。
• 3つのモデルの熱力学的挙動を比較し、エントロピー生成および粒子生成プロセスにおける違いに注目する。
• 非一様な摂動および大規模構造やCMBデータを用いた観測的テストに関する今後の研究を提案し、背景レベルを超えたモデルの区別に向けた道筋を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 減衰する宇宙定数項、体積粘性圧力、非線形流体に基づくモデルは、同一の背景膨張歴を生じさせ得るか？
• RQ2 これらの3つのモデルが、宇宙論的進化において形式的に同等となる条件は何か？
• RQ3 特に減衰するΛおよびMCGフレームワークにおいて、スケール因子のための新しい解析的解を導出可能か？
• RQ4 超新星の距離-赤方偏移関係などの背景的観測量のみを用いて、これらの同等なモデルは観測的に区別可能か？
• RQ5 動的同等性があるにもかかわらず、エントロピー生成や粒子生成といった熱力学的性質は、3つのモデル間でどのように異なるか？

主な発見

• 減衰する真空、体積粘性圧力、非線形流体の3つのモデルは、特定のパrameter選択のもとでスケール因子の進化に関して同一の解を生じさせ、背景レベルにおける形式的動的同等性を確立する。
• 本稿では、べき則的Λと定常粘性を持つモデルについて、スケール因子の新しい解析的解を導出し、時間依存宇宙定数項のための新しいアンザッツを含む。
• 修正チャプリン・ガス（MCG）モデルは、適切なパrameterマッピングのもとで、特定の減衰するΛモデルおよび定常粘性モデルと同等であることが示された。
• 動的同等性があるにもかかわらず、熱力学的挙動には差異がある：体積粘性および粒子生成プロセスは真空中エネルギーの崩壊とは熱力学的に異なるため、エントロピーまたは摂動解析による観測的差異が生じる可能性がある。
• 超新星の距離-赤方偏移関係などの背景レベルの観測量では、3つのモデルを区別できない。なぜなら、それらはすべて同一の膨張歴を生じさせるからである。
• 非一様な状況では同等性が崩れる。粘性または非線形流体モデルにおける摂動は、均一な真空中エネルギー崩壊モデルとは異なる挙動を示すため、それらを区別するには高次の宇宙論的プローブが必要となる可能性がある。