[論文レビュー] Late time cosmic acceleration: ABCD of dark energy and modified theories of gravity

M. Sami, Ratbay Myrzakulov|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

このレビューは、ダークエネルギーと修正重力の観点から、晩期宇宙の加速を検討し、スカラー場、カメレオン機構、バインシュタインスクリーニング、およびゴーストのない非線形なマス付き重力理論を焦点にしている。宇宙定数（ΛCDM）は観測に適合しているが、根本的な理論的問題を抱えており、マス付き重力などの代替モデルは解決策を提供する可能性があるが、因果律、ゴーストのなさ、宇宙論的妥当性といった問題に直面している。

ABSTRACT

We briefly review the problems and prospects of the standard lore of dark energy and notice that the cosmological constant problems are often over emphasized. In order to keep the discussion pedagogical aimed at a wider audience, we have avoided technical complications in several places and resorted to heuristic arguments based on physical perceptions. We presented underlying ideas of modified theories based upon chameleon mechanism and Vainshtein screening. We have given a lucid illustration of recently investigated ghost free non linear massive gravity. Again we have sacrificed rigor and confined to the basic ideas that led to the formulation of $dRGT$. The review ends with a brief discussion on the difficulties of the theory applied to cosmology with an optimism that a consistent solution of the problem is round the corner.

研究の動機と目的

• 宇宙定数およびスカラー場モデルが晩期宇宙の加速を説明するにあたり、理論的および観測的課題を分析すること。
• 特に非線形マス付き重力およびガリレオン場を含む修正重力理論を、ダークエネルギーの代替として探求すること。
• カメレオンおよびバインシュタインスクリーニング機構の妥当性を、修正重力が局所的重力制約と調和する仕組みとして評価すること。
• ガリレオン場、ラヴェロック重力、およびゴーストのないマス付き重力の関係を、宇宙論的応用の文脈で調査すること。
• 非最小結合を伴う有効スカラー場モデルが、ΛCDMに対する一貫性があり観測的に検証可能な代替案を提供できるかを評価すること。

提案手法

• 重力のちがいを説明する複雑な概念（例：カメレオン機構、バインシュタインスクリーニング）を、重い技術的形式を避け、直感的で物理的な理解に基づいて解説する。
• 非線形マス付き重力の構造、特にdRGTモデルをレビューし、ゴーストのない性質と、デカップリング限界におけるガリレオン場との関連を強調する。
• ガリレオン場がマス付き重力の構築要素として果たす役割と、次元削減によって高次元のラヴェロック理論と結びつく仕組みを分析する。
• ガリレオン理論におけるゴーストのなさと超光速伝播のトレードオフを議論し、フレームワークに内在する根本的矛盾を強調する。
• 理論的洗練さを誇るにもかかわらず、dRGTマス付き重力が宇宙論的に有効な解を生み出せないことを検証し、特に晩期加速の文脈でその限界を明らかにする。
• 今後の大規模構造サーベイが、ΛCDMと修正重力モデルを区別できる可能性があり、有効スカラー場記述が有望な現象論的代替手段であると提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場モデルは、宇宙定数問題を解決できるか？ あるいは同様の自然性の問題を引き継ぐのか？
• RQ2 カメレオンおよびバインシュタインスクリーニング機構は、どのように修正重力理論が局所的重力制約を回避できるのか？
• RQ3 ガリレオン場は、ゴーストのない非線形マス付き重力の実現に果たす役割は何か？ また、高次元のラヴェロック理論と次元削減によってどのように関連するか？
• RQ4 理論的に一貫性があるにもかかわらず、ゴーストのないマス付き重力（dRGT）が、なぜ晩期加速のための有効な宇宙論的解を生み出せないのか？
• RQ5 物質への非最小結合を伴う有効スカラー場モデルは、一貫性があり観測的に検証可能なΛCDMの代替案を提供できるか？

主な発見

• スカラー場は、宇宙定数問題を解決できず、自然性の問題を同様に抱えており、宇宙定数よりも理論的に魅力的でない。
• カメレオンおよびバインシュタインスクリーニング機構は、高密度環境で一般相対性理論からのずれを抑制する有効なスクリーニング機構を提供するが、大規模構造への修正に強い制約を課す。
• ガリレオン場は、非線形マス付き重力の基本的構成要素として現れ、次元削減によって高次元のラヴェロック理論と結びつくことから、深い理論的関係を示唆する。
• ゴーストのないにもかかわらず、非線形マス付き重力はデカップリング限界で超光速伝播を示し、因果律および理論的整合性に懸念を呈する。
• dRGTモデルのマス付き重力は、理論的整合性は保っているが、晩期加速のための有効な宇宙論的解を生み出せないため、当初のダークエネルギー代替の動機を揺るがす。
• 今後の大規模構造サーベイが、ΛCDMと修正重力モデルを区別できると予想され、有効スカラー場理論が有望な現象論的道筋を提供する。