[論文レビュー] Cosmological Acceleration: Dark Energy or Modified Gravity?

S. A. Bludman|arXiv (Cornell University)|May 8, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、宇宙の加速が真空中エネルギー（ダークエネルギー）ではなく、アインシュタインの重力理論の低曲率修正（ダーク重力）によるものかどうかを調査する。現在のデータはΛCDMモデルに最もよく合うが、静的ダークエネルギー、動的ダークエネルギー、ダーク重力の区別には、大規模構造の成長と弱引力レンズ効果の観測が必要であり、それらは膨張歴史のデゲネラシーを解消する可能性を秘めている。

ABSTRACT

We review the evidence for recently accelerating cosmological expansion or "dark energy", either a negative pressure constituent in General Relativity (Dark Energy) or modified gravity (Dark Gravity), without any Dark Energy constituent. If constituent Dark Energy does not exist, so that our universe is now dominated by pressure-free matter, Einstein gravity must be modified at low curvature. The vacuum symmetry of any Robertson-Walker universe then characterizes Dark Gravity as low- or high-curvature modifications of Einstein gravity. The dynamics of either kind of "dark energy" cannot be derived from the homogeneous expansion alone, but requires also observing the growth of inhomogeneities. Present and projected observations are all consistent with a small fine tuned cosmological constant, with nearly static Dark Energy, or with gravity modified at cosmological scales. The growth of cosmological fluctuations will potentially distinguish static "dark energy" from dynamic "dark energy" with equation of state $w(z)$ either changing rapidly or tracking the background matter. But to cosmologically distinguish $Λ$CDM from modified gravity will require a weak lensing shear survey more ambitious than any now projected. Dvali-Gabadadze-Porrati modifications of Einstein gravity may also be detected in refined bservations in the solar system or at the intermediate Vainstein scale. Dark Energy's epicyclic character, failure to explain the original Cosmic Coincidence ("Why now?") without fine tuning, inaccessibility to laboratory or solar system tests, along with braneworld theories, now motivate future precision solar system, Vainstein-scale and cosmological-scale studies of Dark Gravity.

研究の動機と目的

• 宇宙の加速が、宇宙定数（ダークエネルギー）によるものか、一般相対性理論の低曲率修正（ダーク重力）によるものかを評価すること。
• 人為的推論を用いずに、ダークエネルギーの微調整問題と宇宙の一致問題を解決すること。
• 静的ダークエネルギーと動的ダークエネルギー、およびダークエネルギーとダーク重力の区別に役立つ観測的テストを同定すること。
• ダークエネルギー成分を含まない状況で、DGP型の修正重力モデルが晩期加速を説明できるかどうかを評価すること。
• 太陽系や銀河団スケールでの高精度な重力テストを通じて、修正重力の検出可能性を検討すること。

提案手法

• 真空解のリッチィ曲率に基づいて宇宙論的モデルを分類し、高曲率および低曲率の重力修正を区別する。
• 均一な膨張歴史 H(z) を運動論的制約として用いるが、動力学的性質は構造の成長と弱引力レンズ効果から推論されなければならないことを強調する。
• ΛCDM、動的ダークエネルギー、DGPダーク重力モデルにおける線形的成長因子 g(a) = δ/a を分析し、不均一性の成長抑制を比較する。
• バーキホフの定理を適用して、リッチィ平坦な真空は球対称性においてニュートン的重力を示すことを示し、真空幾何の制約を求める。
• 次世代の弱引力レンズシェア調査と太陽系／団クラスタースケールの重力テスト（例：異常な近日点進動）による将来のテストを評価する。
• DGPモデルとダークエネルギーモデルにおける成長因子とレンズ収束の理論的予測を比較し、観測的判別子を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙の加速は、ダークエネルギー成分を導入せずに、宇宙定数（ΛCDM）によって説明可能か？
• RQ2 宇宙観測を用いて、静的ダークエネルギーと動的ダークエネルギーをどのように区別できるか？
• RQ3 DGPのような修正重力モデルが、微調整を伴わずに晩期加速を説明できる程度はどの程度か？
• RQ4 膨張歴史におけるデゲネラシーを考慮した場合、ダークエネルギーとダーク重力を区別する観測プローブは何か？
• RQ5 太陽系や銀河団スケールで、高精度な重力測定を通じて低曲率の重力修正をテストできるか？

主な発見

• 現在の膨張歴史データに対して、ΛCDMモデルが最もよく適合し、宇宙定数を真空中エネルギーではなく幾何的リッチィ曲率として解釈する。
• 線形的成長因子 g(a) は、DGPダーク重力で 0.61、動的ダークエネルギーで 0.68、ΛCDMで 0.80 であり、構造成長の抑制に顕著な差が生じる。
• 現在のCMBおよび弱引力レンズデータでは、宇宙の分散とフォアグラウンド汚染のため、ダークエネルギーとダーク重力を区別できない。
• 次世代の弱引力レンズシェア調査が必要であり、現在のデータではデゲネラシーを解消できない。
• DGP型の低曲率重力モデルは、精緻化された太陽系テスト（例：異常な近日点進動）や孤立した銀河団におけるヴァインシュタインスクリーニングスケールを通じて検出可能である可能性がある。
• 動的ダークエネルギーモデルは、微調整や人為的推論なしでは宇宙の一致問題を解決できないため、低曲率の修正重力がより自然な代替案である。