[論文レビュー] The Emergent Universe: inflationary cosmology with no singularity and no quantum gravity era

George Ellis, Roy Maartens|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2002

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、特異性と量子重力時代を回避する、正の曲率を持つ安定したアインシュタイン静的宇宙としての宇宙の起源を提示する宇宙論的モデルを提案する。プランクスケールより上から出発することで、モデルは全期間にわたり古典的一般相対性理論を用いることができ、初期特異性や水平問題を伴わないインフレーションを実現し、自然に高温ビッグバン状態に至る。

ABSTRACT

Observations indicate that the universe is effectively flat, but they do not rule out a closed universe. The role of positive curvature is negligible at late times, but can be crucial in the early universe. In particular, positive curvature allows for cosmologies that originate as Einstein static universes, and then inflate and later reheat to a hot big bang era. These cosmologies have no singularity, no beginning of time, and no horizon problem. If the initial radius is chosen to be above the Planck scale, then they also have no quantum gravity era, and are described by classical general relativity throughout their history.

研究の動機と目的

• 標準的宇宙論における初期特異性問題に対処するため、初期状態が安定したアインシュタイン静的状態である宇宙のモデルを提示すること。
• 初期半径がプランクスケールを上回ることで、量子重力時代の必要性を排除すること。
• 閉じた正の曲率を持つ宇宙から出発することで、滑らかなインフレーション的進化を可能にし、水平問題を解決すること。
• 全宇宙的歴史を古典的一般相対性理論で記述することで、量子重力の複雑さを回避すること。

提案手法

• 空間的正の曲率を持つ閉じたフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー時空として宇宙をモデル化する。
• 重力的吸引と真空エネルギー圧力のバランスが取れた、アインシュタイン静的宇宙を初期状態として用いる。
• スカラー場とそのポテンシャルを導入し、静的状態から指数的インフレーションへの遷移を可能にする。
• 初期半径がプランクスケールを上回ることを仮定し、全期間にわたり古典的一般相対性理論を適用することで、量子重力効果を回避する。
• フレリッドマン方程式を用いて力学を解析し、インフレーションへの滑らかな遷移とその後の再結合（reheating）を示す。
• 初期静的状態により大規模なスケールにわたる因果的連結が可能であるため、水平問題が回避されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子重力時代を必要としない特異性のないインフレーション宇宙モデルを構築できるか？
• RQ2 正の曲率が、安定したアインシュタイン静的状態としての宇宙の始まりをどのように可能にするか？
• RQ3 どのような条件下で、古典的一般相対性理論が特異性なしに全宇宙的進化を記述できるか？
• RQ4 このようなモデルが、微調整を要せず水平問題を自然に解決できるか？
• RQ5 初期半径が量子重力効果を回避するために果たす役割は何か？

主な発見

• 初期特異性は、正の曲率を持つ安定したアインシュタイン静的宇宙としての初期状態により、成功裏に回避される。
• 初期半径をプランクスケールより上に設定することで、モデルは全期間にわたり古典的一般相対性理論の領域に留まる。
• 宇宙は静的状態から滑らかにインフレーション的膨張状態へと遷移する。
• 水平問題は、初期静的状態により大規模な空間的スケールにわたる因果的連結が可能であるため、解決される。
• 再結合の後に自然に高温ビッグバン状態に至り、観測的宇宙論と整合的である。
• 初期条件がプランクスケールを上回っているため、どの段階でも量子重力効果は必要とされない。