[論文レビュー] Quintessence without scalar fields

Salvatore Capozzıello, Sante Carloni+1 more|ArXiv.org|Mar 3, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 362

ひとこと要約

この論文は、スカラー場に依存せずに宇宙の加速膨張を説明する代替メカニズムを提案し、高次の曲率不変量を含む修正重力、状態方程式へのファンデルワールス流体補正、トーション結合重力といった有効場理論を用いる。これらの枠組みにおいて加速膨張が達成可能であり、ハッブル定数と宇宙の年齢に関する観測データと一致する結果が得られた。

ABSTRACT

The issues of quintessence and cosmic acceleration can be discussed in the framework of theories which do not include necessarily scalar fields. It is possible to define pressure and energy density for new components considering effective theories derived from fundamental physics like the extended theories of gravity or simply generalizing the state equation of matter. Exact accelerated expanding solutions can be achieved in several schemes: either in models containing higher order curvature and torsion terms or in models where the state equation of matter is corrected by a second order Van der Waals terms. In this review, we present such new approaches and compare them with observations.

研究の動機と目的

• スカラー場に基づくクインテッセンスモデルの限界を克服するため、代替の物理的枠組みを検討すること。
• 新しい基本的スカラー場を導入せずに、宇宙の加速膨張を説明できるかどうかを調査すること。
• 高次の曲率重力やトーションといった、基本的物理から導かれる有効理論が、観測された加速膨張を再現できるかどうかを検証すること。
• ハッブル定数と宇宙の年齢を含む観測データとこれらのモデルを比較すること。
• これらのアプローチが、ダークエネルギーに関連する一致問題と微調整問題を解決できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 有効場理論の手法から導かれる、高次の曲率不変量（例：4次元重力）を重力作用に組み込むこと。
• ファンデルワールス方程式を用いて、完全流体の状態方程式に2次補正を導入し、非理想状態の物質効果をモデル化すること。
• スピンを曲率の源として扱い、トーションを重力の幾何的源として取り入れることで、ダークエネルギーに類似した効果を生成すること。
• これらの拡張された重力作用から導かれる修正フリードマン方程式を解き、スケール因子の時間発展を求める。
• SNe Ia、CMBR、クラスタ調査からの観測データと照らし合わせて、モデルの予測（H₀、宇宙の年齢）を検証すること。
• 有効場理論の枠組みを用いて、基本的重力補正から一貫した宇宙論的力学を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場や宇宙定数を導入せずに、宇宙の加速膨張を達成できるか？
• RQ2 状態方程式の完全流体補正（例：ファンデルワールス項）が、観測された加速膨張をどの程度再現できるか？
• RQ3 重力作用における高次の曲率不変量が、低エネルギー領域で有効なダークエネルギーの振る舞いを生成できるか？
• RQ4 スピン接続から生じるトーション場が、自然に一定エネルギー密度成分（ダークエネルギーに類似）を生成できるか？
• RQ5 これらの代替モデルは、SNe Ia、CMBR（例：BOOMERanG）、クラスタデータからの観測制約について、標準的クインテッセンスモデルと同等の精度でH₀と宇宙の年齢を再現できるか？

主な発見

• 高次の曲率補正（例：4次元重力）を含むモデルでは、観測されたH₀と宇宙の年齢と整合する、実現可能な解が得られ、加速膨張が達成可能である。
• ファンデルワールス流体補正により、相転移が可能となり、広いパラメータ範囲で加速膨張が支持され、SNe Iaと宇宙の年齢データと一致する。
• トーションに基づくモデルは、ダークエネルギーに類似した一定エネルギー密度成分を生成し、推定されるトーション密度は物質エネルギー密度（約5.5×10⁻³⁰ g cm⁻³）と同等の大きさを示す。
• 修正重力、補正付き流体力学、トーションの3つの枠組みすべてが、基本的スカラー場を導入せずに加速膨張を実現している。
• SNe Ia、CMBR（例：BOOMERanG）、クラスタデータからの観測制約と良好に一致し、空間的に平坦で低密度の宇宙を支持する。
• これらのモデルはスカラー場の導入を回避しているが、一致問題や微調整問題はまだ解決していないため、時間的に変化するトーションや動的補正の導入が今後の課題である。