[論文レビュー] Large Scale Cosmological Inhomogeneities, Inflation and Acceleration Without Dark Matter

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ダークエネルギーも宇宙定数も必要としない、非一様で球対称な宇宙モデルにおける長波長の超視界インフレーション摂動から宇宙の加速度的膨張が生じうることを提案する。正確な非一様フリードマン方程式を用いて、渦度とせん断の影響により負の値をとる非摂動的減速パラメータ $ q $ を導出しており、これは固有の宇宙的分散性と、非一様性効果のみによる観測された加速度的膨張の説明可能性を示唆している。

ABSTRACT

We describe the universe as a local, inhomogeneous spherical bubble embedded in a flat matter dominated FLRW universe. Generalized exact Friedmann equations describe the expansion of the universe and an early universe inflationary de Sitter solution is obtained. A non-perturbative expression for the deceleration parameter q is derived that can possibly describe the acceleration of the universe without dark energy, due to the effects associated with very long wave length super-horizon inflationary perturbations. The suggestion by Kolbe et al. [9] that long wave length super-horizon inflationary modes can affect a local observable through inhomogeneities is considered in the light of our exact inhomogeneous model.

研究の動機と目的

• 超視界インフレーションモードに起因する大スケールの非一様性が、ダークエネルギーを必要とせずに宇宙の加速度的膨張を説明できるかを調査すること。
• 平坦なFLRW背景に局所的な膨張バブルを埋め込む正確な非一様宇宙論的モデルを構築すること。
• せん断と渦度の効果を考慮した非摂動的減速パラメータ $ q $ の表現を導出すること。
• タイプIa超新星およびCMBデータがダークエネルギーの証拠であるという標準的解釈に挑戦すること。
• 空間的非一様性に起因する観測者依存の等価距離と赤方偏移の影響を検討すること。

提案手法

• 時間的・空間的依存のスケール因子 $ X(r,t) $ と $ R(r,t) $ を持つ球対称な非一様計量を定式化すること。
• スカラー場 $ \phi $、ポテンシャル $ V(\phi) $、宇宙定数 $ \Lambda $ を含む作用原理から一般化されたフリードマン方程式を導出すること。
• バリトロープ流体仮定 $ p = p(\rho) $ を適用し、非ゼロの渦度 $ \omega \neq 0 $ を持つエネルギー運動量テンソル $ T^\mu_\nu $ を用いること。
• せん断 $ \sigma $、渦度 $ \omega $、空間勾配の寄与を含む非摂動的減速パラメータ $ q $ の表現を導入すること。
• 2次摂動理論の限界を避けるために、長波長の超視界モードが局所的膨張に与える背反作用を検討すること。
• 強エネルギー条件を破らない条件下で $ q $ が負の値をとる条件、特に $ \omega \neq 0 $ の場合を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超視界インフレーションモードの非摂動的効果を考慮することで、ダークエネルギーを用いずに宇宙の加速度的膨張を説明できるか？
• RQ2 球対称な膨張バブル内の非一様性が、等価距離や赤方偏移といった局所的観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非ゼロの渦度を有する非一様宇宙において、減速パラメータ $ q $ が負の値をとる条件は何か？
• RQ4 等価距離 $ d_L $ や赤方偏移 $ z $ のような観測者依存の量が、宇宙観測の測定に固有の宇宙的分散性をもたらす程度はどの程度か？
• RQ5 非摂動的非一様性の取り扱いが、$ \Lambda $ もダークエネルギーも不要な物質支配の宇宙と観測された加速度的膨張を調和させられるか？

主な発見

• せん断、渦度、空間勾配の寄与を含む非摂動的減速パラメータ $ q $ の表現が導出され、$ \rho + 3p \geq 0 $ の条件下でも $ q < 0 $ が可能であることが示された。
• 正確な非一様解において渦度 $ \omega \neq 0 $ が成立することは、強エネルギー条件下で $ q_1 \geq 0 $ となる摂動的結論が破綻することを示している。
• 超視界で長波長のインフレーションモードは、$ q $ の非ゼロ分散を引き起こし、局所的膨張パラメータにおける固有の宇宙的分散性をもたらす。
• 空間的非一様性に起因して等価距離 $ d_L $ と赤方偏移 $ z $ は観測者に依存するため、宇宙論的データの標準的FLRW解釈に疑問を呈する。
• モデルは、大規模なCMB非一様性の多重極（ダイポール、クアッドリプル、オクタポール）が、非一様バブルの中心に向かう軸と一致する現象が自然に生じうることを予測している。
• 結果から、観測された加速度的膨張はダークエネルギーを必要とせず、むしろ長波長の超視界モードに起因する非摂動的非一様性効果によって生じうることが示唆される。