[論文レビュー] Supernova Constraints on Braneworld Dark Energy

Ujjaini Alam, Varun Sahni|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、高赤方偏移Ia型超新星観測データを用いて、 braneworld型のダークエネルギーモデルを調査し、有効な状態方程式 $ w \leq -1 $（幻の性質を示す）または一時的な加速度が、標準的な $ \Lambda $CDM モデルと同等またはそれ以上の適合性を示すことを示している。$ \Omega_m \gtrsim 0.3 $（B1）または $ \Omega_m \lesssim 0.25 $（B2）のbraneworldモデルは、$ \Lambda $CDM よりも超新星データとよりよく一致する。また、一時的な加速度モデルは、イベントホライズンを回避することで、現在の加速膨張と弦理論／M理論を調和させうる可能性を示している。

ABSTRACT

Braneworld models of dark energy are examined in the light of observations of high redshift type Ia supernovae. Braneworld models admit several novel and even exotic possibilities which include: (i) The effective equation of state of dark energy can be more negative than in LCDM: $w \leq -1$; (ii) A class of braneworld models can encounter a `quiescent' future singularity at which the energy density and the Hubble parameter remain well behaved, but higher derivatives of the expansion factor ($\stackrel{..}{a}$, $\stackrel{...}{a}$ etc.) diverge when the future singularity is reached; (iii) The current acceleration of the universe is a {\em transient feature} in a class of models in which dark energy `disappears' after a certain time, giving rise to a matter dominated universe in the future. Since horizons are absent in such a space-time, a braneworld model with {\em transient acceleration} might help reconcile current supernova-based observations of an accelerating universe with the demands of string/M-theory. A maximum likelihood analysis reveals that braneworld models satisfy the stringent demands imposed by high redshift supernovae and a large region in parameter space agrees marginally better with current observations than LCDM. For instance, models with $w < -1 (> -1)$ provide better agreement with data than LCDM for $Ω_m \ggeq 0.3 (\lleq 0.25)$.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移Ia型超新星観測に対して、braneworld型ダークエネルギーモデルを検証すること。
• $ w \leq -1 $ または一時的な加速度を示すbraneworldモデルが、現在の超新星データと弦理論／M理論を調和させうるかを評価すること。
• $ \Lambda $CDM および SCDM と比較して、braneworldモデル（B1, B2, DDE）の適合度を最尤法を用いて評価すること。
• 角サイズ距離および体積-赤方偏移関係といった宇宙論的テストが、braneworldモデルを区別する能力を評価すること。

提案手法

• 192個の高赤方偏移Ia型超新星からなるUnionデータベースを用いて、最尤法を用いてbraneworldモデルのパラメータを制約する。
• braneworld宇宙論における修正されたフレリデマン方程式から、ハッブルパラメータおよび距離輝度を導出する。この際、異なるブレーン埋め込みに対応する $ \pm $ の符号を含む。
• 3つのbraneworldモデルを分析する：B1（$ w \leq -1 $ を有する）、B2（$ -1 \leq w \leq 0 $ を有する）、および一時的な加速度を示す消えるダークエネルギー（DDE）モデル。
• モデル予測を比較するために、Alcock-Paczynskiテスト、角サイズ距離、体積-赤方偏移関係といった宇宙論的テストを用いる。
• braneworldモデルと $ \Lambda $CDM もしくはクインテッセンスモデルを区別するため、statefinder診断 $ \{r, s\} $ を用いる。
• パrameter $ \Omega_m $, $ w $, およびbraneworld長尺度 $ l $ に対する制約を含み、$ \Omega_m \lesssim 0.23 $ がDDEモデルを支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $ w \leq -1 $ を有するbraneworldモデルは、$ \Lambda $CDM よりも超新星データにより良い適合性を示すか？
• RQ2 braneworld宇宙論における一時的な加速度モデルは、物理的特異性を回避し、現在の超新星観測と整合的か？
• RQ3 角サイズ距離や体積-赤方偏移関係といった宇宙論的テストは、B1およびB2のbraneworldモデルを区別できるか？
• RQ4 特に $ \Omega_m $ が小さい場合に、消えるダークエネルギー（DDE）モデルは現在の超新星制約に耐えうるか？
• RQ5 luminosity distanceおよび有効状態方程式の観点から、braneworldモデルは $ \Lambda $CDM とどのように比較されるか？

主な発見

• $ w \leq -1 $ を有するbraneworldモデルB1は、$ \Omega_m \gtrsim 0.3 $ の場合、$ \Lambda $CDM よりも超新星データとよりよく一致する。
• B2モデル（$ -1 \leq w \leq 0 $）は、$ \Omega_m \lesssim 0.25 $ の場合、$ \Lambda $CDM よりも超新星データによりよく適合する。
• 一時的な加速度を示す消えるダークエネルギー（DDE）モデルは、$ \Omega_m \lesssim 0.23 $ の場合にのみ、現在の超新星制約をわずかに満たす。
• 同じ $ \Omega_m $ に対して、B1モデルの距離輝度は $ \Lambda $CDM を上回り、$ w \leq -1 $ と整合的であるが、弱エネルギー条件の破れは見られない。
• 体積-赤方偏移テストは、$ H(z) $ と $ d_A(z) $ の傾向が逆転するため、Alcock-PaczynskiテストよりもB1およびB2モデルを区別するのに効果的である。
• statefinder診断 $ \{r, s\} $ は、braneworldモデルと $ \Lambda $CDM もしくはクインテッセンスモデルを区別する可能性を示している。