[論文レビュー] Flat FRW Cosmologies with Adiabatic Matter Creation: Kinematic tests

J. A. S. Lima, J. S. Alcaniz|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 48

ひとこと要約

この論文は、標準的大爆発モデルの代替として、断熱的物質生成を伴う平坦なフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）宇宙論を検討する。エネルギー運動量テンソルに作成圧力項（βでパラメータ化）を導入することで、等光距離、角度直径距離、銀河数密度といった運動論的観測量が変化する。主な結果として、β > 0 の場合、負の減速パラメータ（q₀ < 0）とより長い宇宙の年齢が達成可能であり、高赤方偏移銀河およびIa型超新星の観測と平坦な幾何学的構造を整合可能にする。

ABSTRACT

Some observational consequences of a cosmological scenario driven by adiabatic matter creation are investigated. Exact expressions for the lookback time, age of the universe, luminosity distance, angular diameter, and galaxy number counts redshift relations are derived and their meaning discussed in detail. The expressions of the conventional FRW models are significantly modified and provide a powerful method to limit the parameters of the models.

研究の動機と目的

• 標準FRW宇宙論における「年齢問題」に対処すること。これは、宇宙が観測された最も古い星よりも若いように見えることによる。
• 断熱的物質生成が、高赤方偏移銀河の年齢と標準モデルの予測との間にある矛盾を解消できるかどうかを調査すること。
• 物質生成モデルにおける主要な運動論的観測量（等光距離、角度直径、数密度）の正確な式を導出すること。
• 等光距離、角度サイズ、銀河数密度の赤方偏移関係からの観測データを用いて、物質生成パラメータβを制約すること。
• Ia型超新星の観測が示唆するように、負の減速パラメータ（q₀ < 0）が平坦モデルにおける物質生成を伴うモデルで実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 粒子数密度のバランス方程式とアインシュタイン場方程式に基づく形式的枠組みを採用し、物質生成率に依存する作成圧力項を導入する。
• 断熱的物質生成は、粒子1つあたりの比エントロピーが一定に保たれるようにモデル化され、光子については(n ∝ T³、ρ ∝ T⁴)の平衡関係が維持される。
• 赤方偏移zとβの関数として、見通し時間、宇宙の年齢、等光距離、角度直径距離、銀河数密度の正確な解析解が導出される。
• パラメータβは物質生成率を定量化し、β = 0 は物質生成なしの標準FRWモデルに対応する。
• 観測データ（超新星からの等光距離、電波源からの角度サイズ、深宇宙調査からの数密度）を用いて運動論的テストを実施する。
• 理論的予測と観測データを比較することでβの制約を導出し、モデル曲線と観測データ点および誤差範囲のχ²に類似した比較手法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦なFRWモデルに断熱的物質生成を組み込むことで、最も古い球状星団および高赤方偏移銀河の年齢と整合可能な十分に長い宇宙の年齢が得られるか？
• RQ2 物質生成モデルでは、標準FRWモデルと比較して、等光距離、角度直径距離、銀河数密度の赤方偏移依存性が顕著に異なるか？
• RQ3 物質生成メカニズムが自然に負の減速パラメータ（q₀ < 0）を生じさせることができ、Ia型超新星の観測と整合的か？
• RQ4 物質生成パラメータβが宇宙の年齢および宇宙論的距離の進化にどのように影響を与えるか？
• RQ5 角度サイズおよび数密度の観測データが、物質生成宇宙論におけるβの値をどの程度まで制約できるか？

主な発見

• 平坦な物質生成モデルにおける宇宙の年齢は、常に標準FRWモデル（β = 0）よりも大きい。β > 0 の場合、年齢問題が解消される。
• β > 0 の場合、減速パラメータq₀は負になり得る。これは、Ia型超新星の観測が示唆する宇宙の加速膨張と整合的である。
• 角度直径距離－赤方偏移曲線には最小値が現れ、βが増加するにつれてその最小値が高赤方偏移側にシフトする。これにより、高赤方偏移銀河およびクェーサーのデータとの不一致が緩和される。
• 等光距離－赤方偏移データからβ ≤ 0.48、角度サイズデータから0.20 ≤ β ≤ 0.84、数密度データからβ ≤ 0.36の制約が得られる。
• β = 1/3のとき、本モデルはK物質モデルで得られた結果を再現するため、従来の現象論的モデルと整合的であることが示される。
• 現在の物質生成率はψ₀ ≈ 10⁻¹⁶ 核子 cm⁻³ yr⁻¹であり、ステディステート宇宙論の予測と同等であり、現在のところ検出不可能である。