[論文レビュー] Cosmic Acceleration from Causal Backreaction in a Smoothly Inhomogeneous Universe

B. Bochner|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 127被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、宇宙の加速がダークエネルギーまたは修正重力によるものではなく、滑らかに不均一な宇宙における因果的バックレアクションによって生じると提案している。無数の準平衡構造が蓄積的に及える効果が見かけ上の加速を生む。平坦な ΛCDM モデルにダークエネルギーを含めず、タイプIa超新星の観測データを同程度に適合させるとともに、年齢、物質密度、CMBの角度スケールといった主要な宇宙論的パラメータを観測限界内に再現する現象論的モデルを提示している。

ABSTRACT

A phenomenological formalism is presented in which the apparent acceleration of the universe is generated by large-scale structure formation, thus eliminating the coincidence and magnitude fine-tuning problems of the Cosmological Constant in the Concordance Model, as well as potential instability issues with dynamical Dark Energy. The observed acceleration results from the combined effect of innumerable local perturbations, due to individually virialized systems, overlapping together in a smoothly-inhomogeneous adjustment of the FRW metric, in a process governed by the causal flow of inhomogeneity information outward from each clumped system. We discuss several arguments from the literature claiming to place sharp limits upon the strength of backreaction-related effects, and show why such arguments are not applicable in a physically realistic cosmological analysis. A selection of simply-parameterized models are presented, including several which are capable of fitting the luminosity distance data from Type Ia supernovae essentially as well as the best-fit flat $Λ$CDM model, without resort to Dark Energy, any modification to gravity, or a local void. Simultaneously, these models can reproduce measured cosmological parameters such as the age of the universe, the matter density required for spatial flatness, the present-day deceleration parameter, and the angular scale of the Cosmic Microwave Background to within a reasonable proximity of their Concordance values. We conclude by considering potential observational signatures for distinguishing this cosmological formalism from $Λ$CDM or Dark Energy, as well as the possible long-term fate of such a universe with ever-spreading spheres of influence for its increasingly superposed perturbations.

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルにおけるコスモロジカル定数の微調整問題と一致問題を解決するため、ダークエネルギーを構造由来のバックレアクションに置き換えること。
• 滑らかに不均一な時空における準平衡構造からの不均一性情報の因果的伝播が、見かけ上の宇宙の加速を生じさせることを示すこと。
• 光度距離、物質密度、年齢、CMBの角度スケールといった主要な観測制約を、ダークエネルギーや修正重力なしに再現する現象論的モデルの構築。
• バックレアクション効果が宇宙の加速を説明するにはあまりに弱いという従来の主張を挑戦し、それが現実的な宇宙論的状況では適用できないことを示すこと。
• この因果的バックレアクションの枠組みとΛCDMモデルおよび動的ダークエネルギーモデルを区別する観測的特徴を同定すること。

提案手法

• 準平衡系からの摂動が重なり合い、因果的に伝播する滑らかに不均一なフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）計量における因果的バックレアクションの現象論的形式主義を構築する。
• 各凝集系から外向きに不均一性情報が因果的に伝播する中で、無数の局所的摂動の蓄積的効果を、滑らかに不均一なFRW計量の調整によってモデル化する。
• 完全な非線形宇宙論的シミュレーションを必要としない、単純にパラメータ化されたモデルを導入し、バックレアクション効果を模擬する。
• タイプIa超新星の光度距離データを用いてモデルのパラメータを制約し、平坦なΛCDMモデルとの性能を比較する。
• モデルの整合性を検証するため、観測されたジャンプパラメータ j₀^Obs を計算し、1より顕著に高い値が得られることを示す。
• 因果的バックレアクション支配の下での長期的宇宙の運命を分析し、自己制限的でストップアンドゴー型の加速と、遠方の不均一性による極めて強い潮汐力の影響を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模構造形成に起因するバックレアクションのみで、ダークエネルギーや修正重力なしに宇宙の加速を生成できるか？
• RQ2 なぜ従来のバックレアクション効果の強度を制限する主張が、物理的に現実的な宇宙論的文脈では無効であるのか？
• RQ3 因果的バックレアクションに基づく現象論的モデルが、光度距離、物質密度、CMBの角度スケールといった主要な宇宙論的観測量をどの程度再現できるか？
• RQ4 このバックレアクションに基づくモデルとΛCDMモデルおよび動的ダークエネルギーモデルを区別する観測的特徴は何か？
• RQ5 因果的バックレアクションが支配する宇宙の長期的進化は、標準的なダークエネルギーのシナリオとどのように異なるか？

主な発見

• 因果的バックレアクションモデルは、無数の準平衡構造による蓄積的かつ重複する効果によって見かけ上の宇宙の加速を生じさせ、ダークエネルギーの必要性を排除する。
• いくつかのパラメータ化されたモデルが、最良の平坦なΛCDMモデルと同等にタイプIa超新星の光度距離データに適合し、ダークエネルギー、修正重力、あるいは局所的空洞を仮定する必要がない。
• モデルは宇宙の観測された年齢、空間的平坦性に必要な物質密度、および現在の減速度パラメータを、共通モデルの値に近い範囲で再現する。
• 観測されたジャンプパラメータ j₀^Obs は2.5–5.5の範囲（最良のシミュレーションでは2.6–3.8）に予測され、ΛCDMモデルの値1よりも顕著に高く、現在のデータにおける弱い傾向とも整合する。
• モデルは、構造形成の内部ダイナミクスが加速を駆動するため、ランウェイ・ビッグリップではなく、自己制限的でストップアンドゴー型の加速的運命を示唆する。
• モデルは、長距離にわたる因果的伝播による不均一性効果のため、束縛系に極めて非対称な潮汐力が生じ、標準モデルよりもより混沌とした宇宙の進化をもたらすと示唆する。