[論文レビュー] Cosmological Surprises from Braneworld models of Dark Energy

Varun Sahni|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 40

ひとこと要約

本稿は、ダークエネルギーのbrane worldモデルを検討し、一時的な宇宙の加速を生じさせられること、$w \leq -1$ の振る舞いによりビッグリップを回避できること、曲率不変量が発散するが密度とハッブルパラメータは有限のままとなる静的特異点を許容できることを示している。さらに、brane worldモデルは高赤方偏移域（$z \sim 6$ から $40$）で留まる（loitering）ことができ、宇宙の年齢を延ばし、$10^9 M_\odot$ のブラックホールや第III族星のような初期構造形成を、LCDMモデルの予測を上回る形で促進することが可能である。

ABSTRACT

Properties of Braneworld models of dark energy are reviewed. Braneworld models admit the following interesting possibilities: (i) The effective equation of state can be w < -1 as well as w > -1. In the former case the expansion of the universe is well behaved at all times and the universe does not run into a future `Big Rip' singularity which is usually encountered by Phantom models. (ii) For a class of Braneworld models the acceleration of the universe can be a transient phenomenon. In this case the current acceleration of the universe is sandwiched between two matter dominated epochs. Such a braneworld does not have a horizon in contrast to LCDM and most Quintessence models. (iii) For a specific set of parameter values the universe can either originate from, or end its existence in a Quiescent singularity, at which the density, pressure and Hubble parameter remain finite, while the deceleration parameter and all invariants of the Riemann tensor diverge to infinity within a finite interval of cosmic time. (iv) Braneworld models of dark energy can loiter at high redshifts: $6 \lleq z \lleq 40$. The Hubble parameter decreasesduring the loitering epoch relative to its value in LCDM. As a result the age of the universe at loitering dramatically increases and this is expected to boost the formation of high redshift gravitationally bound systems such as $10^9 M_\odot$ black holes at $z \sim 6$ and lower-mass black holes and/or Population III stars at $z > 10$, whose existence could be problematic within the LCDM scenario. (v) Braneworld models with a time-like extra dimension bounce at early times thereby avoiding the initial `Big Bang singularity'. (vi) Both Inflation and Dark Energy can be successfully unified within a single scheme (Quintessential Inflation).

研究の動機と目的

• 高次元時空におけるbrane worldモデルが、宇宙定数を導入せずに晩年期の宇宙の加速を説明できるかを調査すること。
• brane worldのシナリオが、宇宙定数の微調整問題と宇宙の一致問題を解決できるかを検討すること。
• brane worldモデルが、1つのスカラー場フレームワーク（クイントェッセンシャルインフレーション）で初期インフレーションと晩年期のダークエネルギーを統一できるかを検証すること。
• brane worldモデルが初期ビッグバン特異点を回避し、循環的またはバウンシング宇宙論を支持できるかを評価すること。
• brane worldダイナミクスが初期構造形成に与える影響、特に高赤方偏移域のブラックホールおよび第III族星の出現にどのように影響するかを分析すること。

提案手法

• ランダム＝サンズ II モデルを用いて、バルク効果（ダーク放射 $C/a^4$ とウェイルテンソルの射影）を組み込んだbrane上の修正フリードマン方程式を導出する。
• braneの埋め込みに応じて、$w = p/\rho$ の有効状態方程式を分析し、$w \leq -1$（架空的）および $w \geq -1$（クイントェッセンシャル的）の両方が可能であることを示す。
• スケール因子 $a(t)$ のエネルギー条件に従う振る舞いを分析し、加速が一時的であるか、または静的特異点に至る条件を同定する。
• 空間的に平坦なbrane worldモデルにおけるロイタリング挙動を調査し、高赤方偏移域（$z \sim 6$ から $40$）でハッブルパラメータが低下し、宇宙の年齢が延びることを示す。
• 時間的余剰次元を持つバウンシングbrane worldモデルをモデル化し、高エネルギー密度（$\rho = 2|\sigma|$）で $H^2 \to 0$ となることから、初期特異点を回避できることを示す。
• 1つのスカラー場が初期インフレーションと晩年期のダークエネルギーを同時に駆動する統一フレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 brane worldモデルは、物質支配が晩年期に回復する一時的な宇宙加速段階を生じさせることができるか？
• RQ2 brane worldモデルにおける有効状態方程式 $w \leq -1$ の宇宙論的結果は何か、特に将来の特異点に関してどのように影響するか？
• RQ3 brane worldモデルは初期ビッグバン特異点を回避し、バウンシングメカニズムを通じて循環的宇宙論を支持できるか？
• RQ4 高赤方偏移域でのハッブルパラメータが抑制される、つまりロイタリング挙動が、初期の高赤方偏移構造の形成にどのように影響するか？
• RQ5 brane worldモデルにおける1つのスカラー場が、同時にインフレーションとダークエネルギーを駆動でき、初期と晩年期の宇宙加速を統一できるか？

主な発見

• $w \leq -1$ のbrane worldモデルは、架空的ダークエネルギーであってもビッグリップ特異点を回避し、安定で特異点のない将来の進化を可能にする。
• 現在の宇宙の加速は一時的であり、物質支配が晩年期に回復する。このようなモデルは宇宙ホライゾンを持たない。
• ハッブルパラメータ、エネルギー密度、圧力は有限のままだが、減速パラメータおよびリーマンテンソル不変量が発散する静的特異点が発生しうる。
• brane worldモデルは高赤方偏移域（$6 \lesssim z \lesssim 40$）でロイタリングすることができ、LCDMと比較してハッブルパラメータが低減し、その時点での宇宙の年齢が延びる。
• このロイタリングは、$z \sim 6$ における $10^9 M_\odot$ ブラックホールや $z > 10$ における第III族星のような、高赤方偏移の重力的束縛系の形成を促進する。これはLCDMモデルでは困難である。
• 時間的余剰次元を持つbrane worldは、エネルギー条件が満たされていても、初期にバウンスを起こし、初期ビッグバン特異点を一般に回避でき、循環的宇宙論モデルを可能にする。