[論文レビュー] Gravitational energy as dark energy: Cosmic structure and apparent acceleration

David L. Wiltshire|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 11被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、宇宙の加速が真のダークエネルギーではなく、不均一な構造成長に起因する重力的エネルギー勾配によって生じる見かけの効果であるとするタイムスケープ宇宙論を提唱する。一般相対性理論における不均一性の背後に及ぶ反作用が、ダークエネルギーを模倣し得ると主張しており、特にMLCS2k2を用いた超新星データの低減処理による観測的検証が、ΛCDMモデルよりもタイムスケープモデルを支持するが、系統的不確実性は依然として残存する。

ABSTRACT

Below scales of about 100/h Mpc our universe displays a complex inhomogeneous structure dominated by voids, with clusters of galaxies in sheets and filaments. The coincidence that cosmic expansion appears to start accelerating at the epoch when such structures form has prompted a number of researchers to question whether dark energy is a signature of a failure of the standard cosmology to properly account, on average, for the distribution of matter we observe. Here I discuss the timescape scenario, in which cosmic acceleration is understood as an apparent effect, due to gravitational energy gradients that grow when spatial curvature gradients become significant with the nonlinear growth of cosmic structure. I discuss conceptual issues related to the averaging problem, and their impact on the calibration of local geometry to the solutions of the volume-average evolution equations corrected by backreaction, and the question of nonbaryonic dark matter in the timescape framework. I further discuss recent work on defining observational tests for average geometric quantities which can distinguish the timescape model from a cosmological constant or other models of dark energy.

研究の動機と目的

• 宇宙の加速がダークエネルギーによるものではなく、不均一な時空における重力的エネルギー勾配に起因するものであると主張することで、標準的なΛCDMモデルに挑戦すること。
• 特に不均一宇宙論における平均化問題、とりわけ一般相対性理論における背後の反作用問題に、概念的・技術的課題を提示すること。
• タイムスケープモデルとΛCDMモデル、および他のダークエネルギーモデルを区別する観測的テストを開発すること。
• もし不均一性効果がダークエネルギーを模倣するならば、非バリオン的ダークマターの必要性を検討すること。
• 背後に及ぶ反作用項を補正として含む体積平均的進化方程式に整合するように、局所的な幾何学的構造と時計の進み方を校正すること。

提案手法

• 不均一なダスト分布と空間曲率勾配を持つ一般相対性理論に基づくタイムスケープシナリオを用いる。
• 粗粒化および平均化技術をエインシュタイン方程式に適用し、フリードマン方程式を修正する背後の反作用項を導入する。
• 大スケールでは統計的に均一であるが、小スケールでは不均一（例えば、空洞、フィラメント、クラスタ）である宇宙をモデル化し、空洞が体積を支配すると仮定する。
• 光円錐および超曲面平均の観測量を分析し、距離の等価距離およびハッブルフロー分散を計算する。
• 複数の光曲線フィッター（SALT、SALT-II、MLCS2k2）を用いてモデル予測とIa型超新星データを比較し、ベイズ的証拠を評価する。
• 局所的なハッブルフローのばらつきを不均一性の影響として考慮した、装備されたハッブル定数を観測量として評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不均一な時空における重力的エネルギー勾配によって生じる見かけの効果として、宇宙の加速をダークエネルギーを導入せずに説明できるか？
• RQ2 不均一な構造成長に起因する背後の反作用項が、一般相対性理論における宇宙の平均的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 タイムスケープモデルとΛCDMモデル、および他のダークエネルギーモデルを区別する観測的テストは何か？
• RQ4 異なる超新星データ低減手法（例：MLCS2k2対SALT）が、タイムスケープモデルに対するベイズ的証拠を異なる結果に導くのはなぜか？
• RQ5 タイムスケープモデルは、観測されたハッブル定数と局所的なハッブルフロー分散をどのように説明するか？そして、これは観測的に検証可能か？

主な発見

• MLCS2k2手法で低減処理された超新星データセットでは、ベイズ的証拠がΛCDMモデルよりもタイムスケープモデルを支持しており、モデルが観測的に妥当である可能性を示唆する。
• 一方、SALTまたはSALT-II手法で低減処理されたデータセットでは、ΛCDMモデルがベイズ的優位性を示しており、結論がデータ低減手法に極めて敏感であることが浮き彫りになる。
• タイムスケープモデルは、統計的均一性のスケール未満（150–300 Mpc）で、見かけのハッブルフローに17–22％のばらつきを予測するが、これは標準宇宙論には存在しない特徴である。
• モデルは、観測されたハッブル定数が局所的な不均一性の影響を受ける可能性があると示唆しており、宇宙距離階層の校正を複雑にする。
• 装備されたハッブル定数はタイムスケープモデルにおける重要な観測量であり、最近のリエスらによる測定結果がその整合性に挑戦をもたらしている。
• モデルは、不均一な構造における重力的エネルギー勾配が、実際にはダークエネルギーを模倣する効果を示しうることを示唆しており、新たな場や修正重力理論を導入せずに、見かけの加速を再解釈する可能性を提供する。