[論文レビュー] Inhomogeneous Cosmology, Inflation and Late-Time Accelerating Universe

J. W. Moffat|ArXiv.org|Jun 6, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、宇宙初期における非一様かつ非等方的インフレーションと、宇宙定数を用いない晩期の加速的膨張を可能にするアインシュタイン場方程式の正確な非一様解を提案する。非一様時空幾何学を通じて優先的な空間的方向を導入することにより、WMAP CMBパワースペクトルの異常——特に大スケールでのパワー抑制と四重極モーメント・オクテットモーメントの一致——は、スケール不変で非等方的な初期パワースペクトルによって説明可能となる。このスペクトルは、1つの振幅と方向ベクトルによって調制される。

ABSTRACT

An exact inhomogeneous solution of Einstein's field equations is shown to be able to inflate in a non-uniform way in the early universe and explain anomalies in the WMAP power spectrum data. It is also possible for the model to explain the accelerated expansion of the universe by late-time inhomogeneous structure.

研究の動機と目的

• WMAP CMBパワースペクトルの異常、特に大スケールでのパワー抑制と「悪の軸」とも呼ばれるアライメントを解明すること。
• 標準的なFLRWの均一性とは逸脱する非一様かつ非等方的初期インフレーションのメカニズムを提供すること。
• ダークエネルギーや宇宙定数を必要とせず、非一様な大規模構造によって晩期の宇宙的加速を説明すること。
• FLRWおよびLTBモデルを一般化しつつ物理的整合性を保つアインシュタイン方程式の正確解を構築すること。

提案手法

• 非ゼロの圧力と初期対称性のない非一様Szafron解を、アインシュタイン方程式に適用する。
• 空間的に変化するスケール因子R(x,t)とS(x,t)を含む計量の仮定を用い、関数α(x,t)とβ(x,t)でパラメータ化する。
• 場の方程式を満たすために、スケール因子a(t)および空間関数A(z)、B1(z)、B2(z)、C(z)、h(z)の式を導出する。
• 非等方性を、優先的方向nを介して導入し、修正されたパワースペクトルP̃(k) = P(k)[1 + A(𝐤̂·n)²]を定式化する。ここでAは定数の振幅である。
• k=0の晩期物質支配期をモデル化し、非一様な力学を記述するための有効密度Ωm(x,t)とΩX(x,t)を定義する。
• 空間平均化を用いて有効密度ΩmD(t)とΩXD(t)を定義し、WMAPおよび超新星観測データに一致する観測値Ω₀mD=0.28とΩ₀XD=0.72を適合させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アインシュタイン方程式の非一様解は、観測されたWMAP CMBパワースペクトルの大スケール異常を説明できるか？
• RQ2 非一様時空における非等方的インフレーションは、方向依存性を持つスケール不変な初期パワースペクトルを生じるか？
• RQ3 ダークエネルギーも宇宙定数も導入せず、非一様な構造形成によって晩期の宇宙的加速を説明できるか？
• RQ4 非一様モデルは、中心的観測者を必要とする反コペルニクス的問題を回避しつつ、大スケールの非等方的対称性を説明できるか？
• RQ5 優先的方向ベクトルnは、CMBの多重極モーメント間の観測可能な相関を生成する役割を果たすか？

主な発見

• モデルは、Aが定数である非等方的調制を伴う初期パワースペクトルP̃(k) = P(k)[1 + A(𝐤̂·n)²]を生成し、CMBにおける方向的非対称性を説明する。
• 非一様インフレーション解は、WMAPデータにおけるθ ≥ 60°のスケールでのパワー抑制を説明する。
• モデルは、初期時空に優先的方向nを導入することで「悪の軸」アライメントを説明し、インフレーション期における等方性の破れを生じさせる。
• 晩期の加速は、非一様な構造によって説明され、Ω₀XD = 0.72およびΩ₀mD = 0.28と一致し、WMAPおよび超新星観測と一致する。
• 物質および空洞分布の空間的非一様性に起因する加速を説明することで、ダークエネルギーも宇宙定数も必要としない。
• 一般相対性理論と整合的であり、特権的な位置を必要としない空間的変動する力学を許容することで、反コペルニクス的仮定を回避する。