[論文レビュー] Scalar field emulator via anisotropically deformed vacuum energy: Application to dark energy

Özgür Akarsu, Nihan Katırcı+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、非等方的圧力を有するが慣性質量密度がゼロである一般化された真空エネルギー「変形した真空エネルギー」を導入し、剪断スカラーに特異な結合をもたせることで、任意のポテンシャルを持つ正準スカラー場を模倣する。このモデルは、スカラー場の運動エネルギー項を観測可能な剪断スカラーに置き換えることで、ダークエネルギーおよび非等方的宇宙論を研究する新しい枠組みを提供するが、標準的ビッグバン核合成（BBN）を保ち、CMBデータにも適合する。

ABSTRACT

We introduce a generalization of the usual vacuum energy, called `deformed vacuum energy', which yields anisotropic pressure whilst preserving zero inertial mass density. It couples to the shear scalar in a unique way, such that they together emulate the canonical scalar field with an arbitrary potential. This opens up a new avenue by reconsidering cosmologies based on canonical scalar fields, along with a bonus that the kinetic term of the scalar field is replaced by an observable, the shear scalar. We further elaborate the aspects of this approach in the context of dark energy.

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルにおける宇宙定数（Λ）に関する理論的問題を解決し、ダークエネルギーの動的代替案を提示すること。
• 従来は無視可能とされていた非等方的膨張が、CMBデータの異常（例えば低四重極モーメント）を説明する有効なメカニズムである可能性を探ること。
• 正準スカラー場の運動エネルギー項を物理的に観測可能な剪断スカラーに置き換えた新しい宇宙論枠組みを構築すること。
• 変形した真空エネルギーが任意のポテンシャルを持つ正準スカラー場と同一の膨張歴を再現可能でありながら、特徴的な非等方的進化を示すことを示すこと。
• 特にビッグバン核合成（BBN）およびCMB制約に関して、このモデルが初期宇宙宇宙論において実現可能であるかを評価すること。

提案手法

• 空間的に平坦で非等方的宇宙論を記述するため、局所的に回転対称性を持つ（LRS）Bianchi I計量を用い、1つの非等方的パラメータφを導入する。
• 非等方的圧力を有するが慣性質量密度がゼロである「変形した真空エネルギー」という新たなエネルギー運動量テンソル成分を導入する。
• 変形した真空エネルギーと剪断スカラーσ² = ˙φ²との間に、その組合せの力学が任意のポテンシャルを持つ正準スカラー場と正確に一致するように、特異な結合を確立する。
• 変形した真空エネルギーの有効状態方程式およびエネルギー密度の進化を導出し、初期にはw ≈ 1の剛体流体のように振る舞い、遅くはw ≈ -1に近づくことを示す。
• 剪断スカラーの進化およびその密度パラメータΩσ²の進化を分析し、変形した真空モデルではBBN期にΩσ²がほとんど無視可能である一方、標準的ΛCDMモデルでは剪断が支配的になることを示す。
• BBNおよびCMB観測（特に四重極モーメントの異常）からの制約を用いて、本モデルをΛCDMおよび他の非等方的ダークエネルギーモデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 慣性質量がゼロである変形した真空エネルギーによって駆動される非等方的膨張は、任意のポテンシャルを持つ正準スカラー場と同一の膨張歴を再現可能か？
• RQ2 変形した真空モデルにおける剪断スカラーの進化は、標準的クインテッセンスモデルにおけるスカラー場の運動エネルギー項とどのように対比されるか？
• RQ3 変形した真空エネルギーモデルは、BBN制約を破ることなく、観測された低CMB四重極モーメントをどの程度まで説明可能か？
• RQ4 このモデルは、特に放射優勢期およびBBN期における初期宇宙宇宙論にどのような意味を持つか？
• RQ5 モデルはインフレーション終焉時に自然に非等方的化が起こり得るか、観測可能な「非等方的髪」を残す可能性を有するか？

主な発見

• 変形した真空エネルギーモデルは、剪断スカラーへの特異な結合を通じて、任意のポテンシャルを持つ正準スカラー場の膨張歴を正確に再現する。
• 剪断スカラーσ² = ˙φ²は、スカラー場の運動エネルギー項に代わる力学的変数として機能し、原則的に観測可能である。
• 変形した真空wCDMモデル（dv wCDMσ²）では、剪断エネルギー密度ρσ²は時間的にほぼ一定であり、Ωσ²は減少し、BBN以前に消滅する。これにより、標準的核合成が保たれる。
• 一方、標準的ΛCDMモデル（ΛCDMσ²）では、ρσ² ∝ (1+z)^6のようになり、Ωσ²は急激に増大し、BBN期に支配的になるため、観測的制約に反する。
• 本モデルは、物質-放射分離以降の制御された非等方的膨張を許容することで、低CMB四重極モーメントを説明可能であり、初期宇宙物理学を破壊しない。
• 本モデルは現在のCMBデータと整合性があり、スカラー場の運動エネルギーを幾何学的で観測可能な量（剪断スカラー）に置き換えることで、クインテッセンスの代替として有効である。