[論文レビュー] Primordial inflation explains why the universe is accelerating today

Edward W. Kolb, S. Matarrese+2 more|ArXiv.org|Mar 14, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 32

ひとこと要約

この論文は、宇宙の膨張の観測された加速が、ダークエネルギーでも一般相対性理論の修正でもない、インフレーション期に生成された超ハッブルスケール初期密度揺らぎの時間的変化に起因すると提案する。長波長の揺らぎは、量子モードとして観測不能なまま残るが、古典的背景として機能し、局所的なハッブル定数を修正し、真空エネルギーを必要とせずに宇宙定数に類似した効果をもたらす。

ABSTRACT

We propose an explanation for the present accelerated expansion of the universe that does not invoke dark energy or a modification of gravity and is firmly rooted in inflationary cosmology.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーを導入せず、一般相対性理論の修正なしに観測された宇宙の加速を説明すること。
• インフレーションから生じる初期の超ハッブルスケール揺らぎが、局所的なハッブル体積内で有効な加速を生成できるかどうかを調査すること。
• これらの大規模不均一な構造の時間的変化が、局所的膨張レートを変化させ、ダークエネルギーを模倣することを示すこと。
• インフレーションによる不均一な初期条件の結果として生じる、新しいモデル「超ハッブルスケールコールドダークマター（SHCDM）」を提唱すること。
• 特に光度距離–赤方偏移関係を含め、観測データに対してSHCDMの妥当性を検証し、ΛCDMと類似した振る舞いを再現できることを示すこと。

提案手法

• 超ハッブルスケールモードからの時間依存重力ポテンシャルΨℓを含む、修正されたフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー計量を用いて宇宙をモデル化すること。
• 重力ポテンシャルΨを長波長成分（Ψℓ）と短波長成分（Ψs）に分解し、Ψℓをハッブル体積内での空間的に一定の古典的背景として扱うこと。
• 超ハッブルスケール揺らぎの影響を反映させるために、新たな有効スケール因子a̅(t) = a(t)exp(−Ψℓ(t))を定義すること。
• 修正された計量とアインシュタイン方程式を用いて、有効ハッブル定数H̅(t) = d a̅/dt / a̅を導出し、Ψℓ(t)が膨張ダイナミクスに与える影響を示すこと。
• 超ハッブルスケールモードのパワースペクトルを用いて、Ψℓ0の分散を計算し、ゼロ平均のガウス確率変数として扱うこと。
• SHCDMにおける光度距離–赤方偏移関係をΛCDMと比較し、Ψℓ0の妥当な値に対して定量的に区別不能であることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙の加速を、ダークエネルギーを導入せず、重力理論を修正することなく説明できるか？
• RQ2 インフレーションから生じる超ハッブルスケール初期揺らぎが、宇宙の局所的膨張レートにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 長波長密度不均一性の時間的変化が、宇宙定数に類似した有効な加速を生じさせるか？
• RQ4 SHCDMモデルは、光度距離–赤方偏移関係などの観測的予測において、ΛCDMとどの程度類似しているか？
• RQ5 今日の加速の観測された始まりは、インフレーション以降の超ハッブルスケール揺らぎの成長 timescale に起因するだろうか？

主な発見

• 観測不能な量子揺らぎとしての超ハッブルスケール揺らぎは、古典的背景として機能し、局所的ハッブル定数を修正し、見かけ上の加速を引き起こす。
• SHCDMにおける有効な減速パラメータは、真空エネルギー密度がゼロであっても、漸近的にq = -1に近づき、宇宙定数に類似した振る舞いを示す。
• Ψℓ0の値が-1.0から-0.25の範囲にある場合、SHCDMにおける光度距離–赤方偏移関係は、ΩΛ ≈ 0.6–0.8のΛCDMモデルと観測的に区別できない。
• このモデルは、今日の加速の開始が、インフレーション初期条件から十分に成長した超ハッブルスケール揺らぎに一致する時期に対応すると予測する。
• 初期パワースペクトルがハリソン＝ツェルドビッチより青くない限り、Ψℓ0の分散は十分に大きく、加速を生じさせうる。これは標準的なインフレーションモデルと整合する。
• SHCDMモデルは、ダークエネルギーや重力理論の修正といった新しい物理を必要とせず、インフレーション宇宙論に基づく保守的な説明を提供する。