[論文レビュー] Dark energy, inflation and dark matter from modified F(R) gravity

Shin’ichi Nojiri, Sergei D. Odintsov|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、修正されたF(R)重力が、スカラー自由度とカメレオン機構を活用することで、局所重力実験を満たしつつ観測された宇宙膨張歴を再現できる単一の枠組みにおいて、宇宙インフレーション、ダークエネルギー、ダークマターを統一的に説明可能であると提唱している。F(R)-重力においては、任意の宇宙膨張歴を再構成可能であり、妥当なモデルは物質不安定性を回避し、観測制約と一致する。

ABSTRACT

We review modified $F(R)$ gravity as realistic candidate to describe the observable universe expansion history. We show that recent cosmic acceleration, radiation/matter-dominated epoch and inflation could be realized in the framework of $F(R)$-gravity in the unified way. For some viable classes of $F(R)$-gravity, the Newton law is respected and there is no so-called matter instability (the very heavy positive mass for additional scalar degree of freedom is generated). The reconstruction program in modified gravity is also reviewed and it is demonstrated that {\it any} time-evolution of the universe expansion could be realized in $F(R)$-gravity. These models remain to be realistic also in the presence of non-minimal gravitational coupling with usual matter. It is shown that same model which passes local tests and predicts the unification of inflation with cosmic acceleration also describes dark matter thanks to presence of additional scalar degree of freedom and chameleon mechanism.

研究の動機と目的

• 修正されたF(R)重力が、宇宙インフレーション、ダークエネルギー、ダークマターを単一の理論枠組みで統一的に記述可能かどうかを検討すること。
• 局所的重力実験を満たす一方で宇宙論的整合性を保つという課題に対処すること。
• F(R)-重力において、任意の時間発展する宇宙の膨張が再構成技術を用いて実現可能であることを示すこと。
• 妥当なF(R)モデルが物質不安定性を回避し、ニュートンポテンシャルを保つことの証明。
• 同じモデルが宇宙加速とインフレーションを説明する一方で、カメレオン機構と追加のスカラー自由度を通じてダークマターを説明できることの確立。

提案手法

• F(R)重力形式を用いて、初期および後期の宇宙膨張を統合的に記述する場の運動方程式を導出すること。
• 再構成プログラムを適用し、任意に指定された膨張歴H(t)と一致するF(R)関数を生成すること。
• F(R)重力と標準物質場との間の非最小的重力結合を組み込むこと。
• 高密度領域における第五力の相互作用を抑制するため、カメレオン機構を実装することにより、局所的重力実験との整合性を確保すること。
• スカラー自由度の質量を分析し、密度が高い領域では非常に重くなること、したがって物質不安定性を回避することを示すこと。
• 物理的挙動と理論の安定性を分析するため、アインシュタイン形式への変換を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 F(R)重力は、単一の理論的枠組みの中で、同時に宇宙インフレーション、ダークエネルギー、ダークマターを説明可能か？
• RQ2 F(R)重力は、ニュートンポテンシャルや第五力の不在といった、局所的重力実験とどのように適合させられるか？
• RQ3 F(R)関数に課される条件は何か？　それは、重いスカラーモードによる物質不安定性の回避を保証するか？
• RQ4 適切なF(R)関数の再構成によって、任意の宇宙論的膨張歴を実現可能か？
• RQ5 F(R)重力におけるカメレオン機構は、追加の物質成分を導入することなく、自然にダークマターの効果を説明できるか？

主な発見

• 再構成プログラムを用いることで、F(R)-重力においては、宇宙の任意の時間発展する膨張歴を実現可能であり、理論的柔軟性の広がりを示している。
• 妥当なF(R)モデルは、追加のスカラー自由度が非常に重くなることで、ニュートンポテンシャルを尊重し、物質不安定性を回避している。
• カメレオン機構により、スカラー場の第五力が高密度領域で抑制され、太陽系の実験と整合性を保っている。
• 宇宙加速とインフレーションを説明する同じF(R)モデルが、スカラー場の力学を通じてダークマターの効果を再現している。
• F(R)重力と標準物質との間の非最小的結合は、理論の整合性を損なわず、観測との一貫性を保っている。