[論文レビュー] The Phantom Bounce: A New Proposal for an Oscillating Cosmology

Katherine Freese, Matthew G. Brown+1 more|ArXiv.org|Feb 19, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、$w_Q < -1$ であるファントムエネルギーによって駆動されるサイクル的宇宙論を提案する。高エネルギー密度における量子重力効果により、小さなスケール因子でビンタッチ（bounce）が発生し、大きなスケール因子でターンアラウンド（turnaround）が発生する。これにより収縮前にブラックホールが破壊され、ブラックホール過剰生成問題が解決される。モデルは braneworld 様式における修正フリードマン方程式を用いてビンタッチとターンアラウンドを統一し、中程度のエントロピーを持つ宇宙の検証可能なメカニズムを提供する。

ABSTRACT

An oscillating universe cycles through a series of expansions and contractions. We propose a model in which ``phantom'' energy with a supernegative pressure ($p &lt; - ρ$) grows rapidly and dominates the late-time expanding phase. The universe's energy density is then so large that the effects of quantum gravity are important at both the beginning and the end of each expansion (or contraction). The bounce can be caused by high energy modifications to the Friedmann equation governing the expansion of the universe, which make the cosmology nonsingular. The classic black hole overproduction of oscillating universes is resolved due to their destruction by the phantom energy.

研究の動機と目的

• 振動宇宙におけるブラックホール過剰生成問題を解消すること。ここでは、サイクルごとにブラックホールが成長し、ホーキング放射では消去できない。
• 同じ高エネルギー物理学を用いてサイクル的宇宙におけるビンタッチとターンアラウンドを生じさせるメカニズムを提案すること。特異点を回避する。
• ファントムエネルギー（$w_Q < -1$）が収縮前にブラックホールを破壊できることを示し、新たなサイクルを可能にする。
• 今後の観測データで検出可能な $w_Q < -1$ の観測可能なダークエネルギーと関連付けることで、モデルを検証可能にする。
• エントロピー生成にもかかわらず、真のサイクル的進化が可能かどうかを検討し、赤方偏移や双対性対称性が準周期的振る舞いを可能にする可能性を示唆する。

提案手法

• 負のブレーン張力と時間的余剰次元を有する、Shtanov-Sahni のシナリオを特徴とする、修正フリードマン方程式を用いたブレーンワールドモデルを採用する。
• 修正フリードマン方程式を適用し、高エネルギー密度および低エネルギー密度の両方で宇宙の進化が逆転するのを可能にし、ビンタッチとターンアラウンドを実現する。
• 方程式状態 $w_Q < -1$ を用いてファントムエネルギーをモデル化し、エネルギー密度 $\rho_Q \sim a^{-3(1+w_Q)}$ が拡張に伴い増加することを示す。
• 条件 $\rho_{BH} \sim M_p^4 (M_p/M)^2 / |1+3w_Q|$ を用いてブラックホール破壊を計算し、質量の大きなブラックホールがより低い $\rho$ で破壊されることを示す。
• ブラックホールがターンアラウンドより前に破壊されるように保証するため、$\rho_{BH} < \rho_{\text{turn}} = 2|\sigma|$ を要求する。ここで $\sigma$ はブレーン張力である。
• $w_Q = -7/3$ における双対性を検討し、$a \to 1/a$ により放射とファントムエネルギーが交換され、サイクル的対称性が可能になる可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファントムエネルギーが後期拡張を支配する場合、サイクル的宇宙はブラックホール過剰生成を回避できるか？
• RQ2 同じ高エネルギー物理学が、小さなスケール因子と大きなスケール因子の両方で、ビンタッチとターンアラウンドを生じさせられるか？
• RQ3 $w_Q < -1$ のファントムエネルギー成分は、現在のダークエネルギーに関する観測制約と整合性があるか？
• RQ4 加速期にエントロピーがホライズンから赤方偏移され、準周期的進化が可能になるか？
• RQ5 $w_Q = -7/3$ における双対性は、真に周期的なサイクル的宇宙論を可能にするか？

主な発見

• 質量 $M = 10^6 M_\odot$ のブラックホールは $\rho \sim 10^{-90} M_p^4$ で破壊され、$|\sigma| = M_p^4$ の場合、ターンアラウンドよりはるかに前に行われる。
• プランク質量ブラックホールは $\rho \sim 10^{-2} M_p^4$ で破壊され、$|\sigma| = M_p^4$ の場合、依然として $\rho_{\text{turn}}$ より低いため、破壊が保証される。
• GUT スケールのブレーン張力（$|\sigma| = m_{\text{GUT}}^4$）の場合、$M \geq 10^5 M_p$ のブラックホールのみが破壊されるが、これらはホーキング放射により $\sim 10^{-27}$ 秒で蒸発する。
• モデルは、同じ修正フリードマン方程式を用いてビンタッチとターンアラウンドを統一しており、高エネルギー補正による重力の修正という、たった一つの推測的物理的仮定で十分である。
• ファントムエネルギー（$w_Q < -1$）は今世紀の10年以内に検証可能である。現在のデータでは $w_Q < -1$ を許容しており、一部の解析ではそれを支持する。
• プランク質量の残渣が生存する可能性があり、それらはまだ推測的ではあるが、実現可能なダークマター候補である。