[論文レビュー] Difficulties in reconciling non-negligible differences between the local and cosmological values of the gravitational coupling in extended Brans-Dicke theories

Adrià Gómez Valent, Prajwal Hassan Puttasiddappa|arXiv (Cornell University)|May 31, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 66被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、スクリーニング機構を備えた拡張されたブラーン＝ディック理論が、宇宙論的観測で得られた4–9%高い有効重力結合定数と局所測定のニュートン定数の間に矛盾する可能性があるかどうかを調査している。さまざまなスクリーニング機構を検討したが、それらはわずかなずれしか生じさせず、太陽系の制約に反しない限り、$H_0$ および $\sigma_8$ の間に生じる緊張を説明するには不十分である。

ABSTRACT

Recent studies by Sola Peracaula, Gomez-Valent, de Cruz Perez and Moreno-Pulido (2019,2020) have pointed out the intriguing possibility that Brans-Dicke cosmology with constant vacuum energy density (BD-$\Lambda$CDM) may be able to alleviate the $H_0$ and $\sigma_8$ tensions that are found in the framework of the concordance cosmological model (GR-$\Lambda$CDM). The fitting analyses presented in these works indicate a preference for values of the effective gravitational coupling appearing in the Friedmann equation, $G$, about $4-9\%$ larger than Newton's constant (as measured on Earth), and mildy evolving with the expansion of the universe. The signal reaches the $\sim 3.5\sigma$ c.l. when the prior on $H_0$ from SH0ES and the angular diameter distances to strong gravitationally lensed quasars measured by H0LICOW are considered, and the $\sim 3\sigma$ c.l. when only the former is included. Thus, the improvement in the description of the cosmological datasets relies on the existence of a mechanism capable of screening the modified gravity effects at those scales where deviations from standard General Relativity (GR) are highly constrained, as in the Solar System. In this paper we explore several extensions of BD-$\Lambda$CDM that can leave the cosmological evolution basically unaltered at the background and linear perturbations level, while being able to screen the Brans-Dicke effects inside the regions of interest, leading to standard GR. We search for weak-field solutions around spherical static massive objects with no internal pressure and show that, unfortunately, these mechanisms can only explain very tiny departures of the effective cosmological gravitational coupling from the one measured locally. This might hinder the ability of BD-$\Lambda$CDM to alleviate the cosmological tensions.

研究の動機と目的

• 拡張されたBrans-Dicke理論が、$\Lambda$CDMモデルで観測された$H_0$ および $\sigma_8$ の緊張を解消できるかどうかを評価すること。
• スクリーニング機構が太陽系のような高密度環境で一般相対性理論からのずれを抑制しつつ、宇宙論的文脈で強化された重力結合を許容できるかどうかを調査すること。
• 静的で非圧力のある物体の周囲の弱場解が、局所重力の制約に反しない範囲で必要な宇宙論的ずれを再現できるかどうかを特定すること。
• 現実的なスクリーニング状況下で、BD-$\Lambda$CDMが宇宙論的緊張の解決策として実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 拡張されたBrans-Dicke理論における球対称で静的、非圧力のある質量を持つ物体の弱場解の導出。
• 太陽系のような高密度環境で一般相対性理論からのずれを抑制するスクリーニング機構の適用。
• 弱場極限における有効重力結合定数の分析を行い、宇宙論的値と局所測定値を比較。
• BD-$\Lambda$CDMの背景進化と整合性を保つために、場の運動方程式におけるトレースフリー条件の使用。
• 太陽系テストからの観測的制約と予測された重力ポテンシャルの比較。
• 弱場領域におけるニュートン定数からのずれの数値的評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スクリーニング機構を備えた拡張されたBrans-Dicke理論は、宇宙論的重力結合定数をニュートン定数よりも4–9%大きくできるか？
• RQ2 スクリーニング機構は、太陽系における一般相対性理論からのずれをどの程度抑制できるか、一方で宇宙論的修正を維持できるか？
• RQ3 弱場、静的、球対称な解における有効重力結合定数の最大可能なずれは何か？
• RQ4 局所重力実験からの制約は、BD-$\Lambda$CDMが宇宙論的緊張を解消する上で実現可能かどうかをどの程度制限するか？
• RQ5 宇宙論的データで観測された$\sim 3.5\sigma$の$G$の増強傾向は、局所測定と整合することができるか？

主な発見

• 本稿で検討されたスクリーニング機構は、宇宙論的データで観測された4–9%の増大を説明するのに十分なほど、有効重力結合定数のニュートン定数からのずれを生じさせることができない。
• 静的で非圧力のある物体の周囲の弱場解は、標準重力からのわずかなずれしか生じさせず、必要な宇宙論的信号に届かない。
• 弱場領域での許容可能なずれの最大値は、太陽系の制約に反しない限り、$H_0$ および $\sigma_8$ の緊張を解消するには不十分である。
• SH0ESおよびH0LICOWからの好都合な事前分布でさえも、スクリーニング機構が宇宙スケールでの$G$の必要な増大を生成できない。
• 結果として、本稿の結果は、検討されたスクリーニング機構を超える新しい物理が導入されない限り、BD-$\Lambda$CDMが宇宙論的緊張の解決策として実現可能でない可能性を示唆している。