[論文レビュー] Cosmological Structure Evolution and CMB Anisotropies in DGP Braneworlds

Ignacy Sawicki, Sean M. Carroll|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、3-braneを持つ5次元のバルクによって大スケールで重力が修正されるDGP braneworldモデルにおける宇宙構造の進化およびCMB非等方性を調査する。DGPモデルは統合サックス＝ホルプ効果を抑制し、ΛCDMモデルと比較して低多重度CMBデータへの適合を改善するが、超新星データおよび最後散乱面までの距離をうまく再現できないため、平坦な宇宙においてはΛCDMモデルがより良い全体的な適合となる。

ABSTRACT

The braneworld model of Dvali, Gabadadze and Porrati (DGP) provides an intriguing modification of gravity at large distances and late times. By embedding a three-brane in an uncompactified extra dimension with separate Einstein-Hilbert terms for both brane and bulk, the DGP model allows for an accelerating universe at late times even in the absence of an explicit vacuum energy. We examine the evolution of cosmological perturbations on large scales in this theory. At late times, perturbations enter a DGP regime in which the effective value of Newton's constant increases as the background density diminishes. This leads to a suppression of the integrated Sachs-Wolfe effect, bringing DGP gravity into slightly better agreement with WMAP data than conventional LCDM. However, we find that this is not enough to compensate for the significantly worse fit to supernova data and the distance to the last-scattering surface in the pure DGP model. LCDM is, therefore, a better fit.

研究の動機と目的

• DGP braneworldモデルにおける大スケール宇宙論的摂動の進化を分析すること。
• DGPにおける修正重力が統合サックス＝ホルプ（ISW）効果およびCMB非等方性に与える影響を評価すること。
• 標準的なΛCDMモデルと比較して、DGPモデルがWMAP CMBデータおよび超新星ハッブル図にどの程度適合するかを比較すること。
• ダークエネルギーを必要とせずに宇宙加速を説明できるかどうか、観測データと整合的であるかを検証すること。
• DGP重力における有効ニュートン定数を明確にし、それが背景密度に依存し、ポテンシャルの進化に影響を与えることを示すこと。

提案手法

• ブレーンおよびバルクに別々のアインシュタイン＝ヒルベルト項を含む5次元作用から、ブレーン上での有効場の運動方程式を導出する。これにはブレーンの張力およびバルクの宇宙定数を含む。
• ロバートソン＝ウォーカー背景に対する線形摂動論を適用し、構造の成長および重力ポテンシャルの進化を研究する。
• 小さな摂動に対する有効ニュートン定数を計算し、エネルギー密度に依存し、低密度で増加することを示す。
• 修正されたCMBFASTシミュレーションを用いて、CMBパワースペクトルへのISWおよびSW寄与を計算し、相関を考慮する。
• DGPモデルにおけるCMBパワースペクトルの非ISW成分を分離するために、相関係数Rを定義する。
• RとISW-ISW成分を用いてDGP固有のパワースペクトルを解き、WMAPデータとの比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DGP braneworldモデルにおける有効ニュートン定数はどのように進化するのか。また、これは構造成長にどのような影響を与えるか。
• RQ2 ΛCDMモデルと比較して、DGPモデルは統合サックス＝ホルプ効果をどの程度抑制するか。
• RQ3 DGPモデルは標準的なΛCDMモデルと比較して、低多重度CMB非等方性データに対してより良い適合を示すか。
• RQ4 DGPモデルは観測されたIa型超新星のハッブル図をどの程度再現するか。
• RQ5 DGPモデルは、微調整を必要とせずに、宇宙加速、CMBパワースペクトル、および最後散乱面までの距離を同時に説明できるか。

主な発見

• DGPモデルは、低密度で増加する有効ニュートン定数のため、後期の重力ポテンシャルの減衰が抑制され、統合サックス＝ホルプ効果が抑制される。
• この抑制により、WMAPが観測した低多重度CMB非等方性データに対するDGPモデルの適合が、ΛCDMモデルよりも良好になる。
• CMBへの適合が改善されても、DGPモデルは宇宙加速の始まりがよりゆっくりになる予測をし、Ia型超新星のハッブル図への適合が悪化する。
• 超新星制約と組み合わせた場合、DGPモデルは最後散乱面までの正しい距離を再現できない。これは観測結果と矛盾する。
• 全体として、CMBおよび超新星データを両方考慮した場合、DGPモデルはΛCDMモデルに劣り、CMBの低多重度異常に対する改善は見られるものの、より良い全体的適合とはならない。