[論文レビュー] Do we live in a "Dirac-Milne" universe?

A. Benoit-Lévy, G. Chardin|ArXiv.org|Mar 13, 2009

Relativity and Gravitational Theory参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、反物質が負の有効重力質量を有する物質・反物質対称宇宙論、Dirac-Milne宇宙を提案する。このモデルではスケール因子が線形であり、平坦な時空が得られ、ダークマターおよびダークエネルギーを必要とせずに、タイプIa超新星の観測データ、ビッグバン核合成、宇宙の年齢、CMBの度スケールピークといった主要な宇宙論的観測結果をうまく再現する。

ABSTRACT

The LCDM standard model, although an excellent parametrization of the present cosmological data, requires two as yet unobserved components, Dark Matter and Dark Energy, for more than 95% of the Universe, and a high level of fine-tuning. Faced to this unsatisfactory situation, we study an unconventional cosmology, the Dirac-Milne universe, a matter-antimatter symmetric cosmology, in which antimatter is supposed to present a negative active gravitational mass. We show that this universe remarkably satisfies the cosmological tests for the age of the Universe, Big-Bang Nucleosynthesis, and Type Ia Supernovae data. Most surprisingly, it also provides the degree scale for the first acoustic peak of the Cosmological Microwave Background. This simple model, without any adjustable parameter or need for Dark Matter or Dark Energy, is a reminder that we should look for simpler and more motivated cosmological models than the present LCDM standard model.

研究の動機と目的

• 物質・反物質対称の宇宙が反物質に負の有効重力質量を持つ場合、現在の宇宙論的観測結果を説明できるかどうかを調査すること。
• 特にダークマターおよびダークエネルギーの必要性とそれに伴う微調整問題を抱えるΛ-CDMモデルの理論的課題を解決すること。
• 主な宇宙論的プローブ（SNe Ia、ビッグバン核合成、CMB音響ピーク位置、および宇宙の年齢）に対して、Dirac-Milneモデルの妥当性を検証すること。
• このモデルが、自然に水平問題を回避し、宇宙のインフレーションが不要であることを示せるかを検討すること。
• 一般相対性理論における既知の対称性、特にKerr-Newman解の電荷と質量の反転性と、モデルが整合するかを評価すること。

提案手法

• 物質と反物質が等しく分布し、反物質が負の有効重力質量を有するDirac-Milne宇宙モデルを採用し、スケール因子がa(t) = ctと線形に変化することを示す。
• k = -1（開いた空間幾何）および平坦な時空を有するFRLW計量を用い、ds² = c²dt² - c²t²[(dr²)/(1+r²) + r²dΩ²] で記述される宇宙の進化をモデル化する。
• ハッブルパラメータH(t)とその時間的変化を計算し、H(t) = 1/tが得られ、ハッブル時間t₀ = 1/H₀ ≈ 139億年と定数となることを示す。
• 初期核合成を、物質・反物質界面で消失反応により音波が生成され、z ≈ 10⁴まで一貫した振動が続くと仮定してモデル化する。
• 音響距離rs(z*)と赤方偏移距離dA(z*)を計算し、音響ピークの角度スケールをθ = (180/π) × [∫(1/√3) dz/(1+z)] / sinh(ln(1+z*))（積分範囲：z_i ≈ 2×10¹¹ から z_stop ≈ 10⁴）を用いて決定する。
• モデルの予測を観測データと比較する：SNe Iaのハッブル図、軽元素の質量分率（⁴He、⁷Li、D）、CMBの観測された度スケールピーク。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反物質が負の有効重力質量を持つ物質・反物質対称宇宙が、ダークエネルギーを必要とせずに観測されたタイプIa超新星のハッブル図を再現できるか？
• RQ2 異なる膨張歴を持つにもかかわらず、Dirac-Milneモデルにおけるビッグバン核合成で、⁴Heおよび⁷Liの初期核生成分率が一貫しているか？
• RQ3 Dirac-MilneモデルにおけるCMB最初の音響ピークの予測角度スケールは何か？観測された度スケールと一致するか？
• RQ4 Dirac-Milneモデルにおける宇宙の年齢は観測された年齢とどのように比較されるか？ダークエネルギーを必要とせずに年齢問題を解決できるか？
• RQ5 線形膨張と平坦な時空を有する本モデルが水平問題を自然に回避できるか？その結果、宇宙のインフレーションが不要であると示せるか？

主な発見

• H₀ = 70 km/s/Mpcを用いることで、Dirac-Milne宇宙は現在の年齢がt₀ = 139億年と計算され、ダークエネルギーを必要とせずに観測された年齢と一致する。
• モデルはSNe Iaデータのハッブル図を、Λ-CDMモデルと同等の残差で再現しており、SNe Ia観測データと良好な一致を示している。
• baryon-to-photon比を適切に調整すれば、長い核合成期（約30年間）を持つにもかかわらず、⁴Heおよび⁷Liの初期核生成分率が一貫している。
• CMB最初の音響ピークの角度位置はθ ≈ 1°と計算され、モデルの開いた空間幾何であるにもかかわらず、観測された度スケールピークと顕著に一致している。
• 再結合の赤方偏移はz* ≈ 1030と予測され、Λ-CDMモデルのz* ≈ 1090よりわずかに低くなる。これはHubbleレートの修正および高いバリオン密度に起因する。
• 平坦な時空と線形膨張のおかげで、水平問題が自然に回避され、CMBの均一性を説明するために宇宙のインフレーションが不要である可能性を示唆している。