[論文レビュー] Dark Energy and Modified Gravity

Ruth Durrer, Roy Maartens|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 41

ひとこと要約

本稿は、標準的ΛCDMモデルの代替としてのダークエネルギーおよび修正重力モデルをレビューし、特にf(R)重力とDGPブレーンワールドモデルに焦点を当てる。これらのモデルは、宇宙の加速的膨張および大スケールでの重力の振る舞いに関する新たな知見を提供するが、特異点やゴースト状態といった深刻な理論的・観測的課題を抱えており、現時点ではΛCDMを上回る整合性や予測力を持つモデルではないことが判明した。

ABSTRACT

Explanations of the late-time cosmic acceleration within the framework of general relativity are plagued by difficulties. General relativistic models are mostly based on a dark energy field with fine-tuned, unnatural properties. There is a great variety of models, but all share one feature in common -- an inability to account for the gravitational properties of the vacuum energy, and a failure to solve the so-called coincidence problem. Two broad alternatives to dark energy have emerged as candidate models: these typically address only the coincidence problem and not the vacuum energy problem. The first is based on general relativity and attempts to describe the acceleration as an effect of inhomogeneity in the universe. If this alternative could be shown to work, then it would provide a dramatic resolution of the coincidence problem; however, a convincing demonstration of viability has not yet emerged. The second alternative is based on infra-red modifications to general relativity, leading to a weakening of gravity on the largest scales and thus to acceleration. Most examples investigated so far are scalar-tensor or brane-world models, and we focus on the simplest candidates of each type: $f(R)$ models and DGP models respectively. Both of these provide a new angle on the problem, but they also face serious difficulties. However, investigation of these models does lead to valuable insights into the properties of gravity and structure formation, and it also leads to new strategies for testing the validity of General Relativity itself on cosmological scales.

研究の動機と目的

• 修正重力モデル（特にf(R)およびDGP）が、後期宇宙の加速的膨張を説明するためのダークエネルギーの代替として妥当であるかどうかを評価すること。
• これらのモデルが、ΛCDMフレームワークに内在する真空中エネルギー問題および一致問題を解消できるかどうかを調査すること。
• 特異点やゴースト不安定性を含む、f(R)およびDGPモデルに対する理論的・観測的制約を評価すること。
• これらのモデルが、一般相対性理論の宇宙スケールでの検証に向けた新たな観測戦略をどのように示唆するかを検討すること。
• これらのモデルが重力、構造形成、宇宙論的一致関係の理解を深める上で果たした歴史的貢献を強調すること。

提案手法

• 修正重力モデルにおける背景膨張および加速を記述するためのフレドーリッヒ方程式およびレイチャウドフリ方程式を分析する。
• f(R)およびDGPモデルに導入されるスカラー自由度に注目し、大スケールでの重力の修正を検討する。
• ISW効果および摂動論を用いて、モデルの予測をCMBおよび大規模構造データと比較する。
• 超新星、CMB非等方性、弱引力レンズの観測制約を適用し、モデルの整合性をテストする。
• 特に中性子星環境におけるゴーストや特異点の存在を用いて、解の安定性を評価する。
• f(R)およびDGPモデルにおけるISWポテンシャルの振る舞いを比較し、特徴的なシグネチャを通じてΛCDMとは区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 f(R)重力モデルは、ダークエネルギーを導入せずに観測された宇宙の加速的膨張をうまく再現できるか？
• RQ2 DGPブレーンワールドモデルは、de Sitter空間におけるゴースト不安定性を考慮しても、ΛCDMの有効な代替となるか？
• RQ3 修正重力モデルは、ΛCDMと比較してISW効果および大規模構造の成長にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現在の宇宙論的観測は、理論的不整合のため、f(R)およびDGPモデルをどれほど排除しているか？
• RQ5 修正重力モデルは、一般相対性理論の宇宙スケールでの妥当性を検証する新たな観測的テストをもたらせるか？

主な発見

• f(R)モデルは、ΛCDMと比較して構造形成の抑制が小さい新しいスカラー自由度を導入するが、中性星を除外する特異点のため、おそらくすでに除外されている。
• DGPモデルは、高赤方偏移で負のISW効果を示し、後に正に転じる特徴的な振る舞いを示すが、漸近的de Sitter状態でのゴーストの出現により、おそらくすでに除外されている。
• DGPモデルにおけるISWポテンシャルの微分は非単調的でゼロを crosses するのに対し、f(R)モデルとは対照的であり、観測的区別子としての可能性を示している。
• f(R)およびDGPモデルの両方が真空中エネルギー問題を解消できない一方で、背景膨張と構造形成の間の相互作用に関する貴重な知見を提供している。
• これらのモデルの検討は、特定の代替モデルに依存しない一般相対性理論の宇宙スケールでの検証手法を発展させた。
• 理論的欠陥が存在するにもかかわらず、f(R)およびDGPモデルは、膨張歴史と摂動の進化の間の一貫性関係の理解を著しく深めた。