[論文レビュー] The Standard Model, Dark Matter, and Dark Energy: From the Sublime to the Ridiculous

Lawrence M. Krauss|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 36被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、標準的宇宙論の進化をレビューし、物質支配宇宙からダークエネルギーとダークマター支配の宇宙への移行を強調している。ダークマター（おそらく弱い相互作用を示す粒子から構成される）は銀河の運動を説明できるが、ダークエネルギー（おそらく宇宙定数である可能性がある）は加速膨張を引き起こし、従来の運命予測を無効にし、宇宙の運命に関する根本的な謎を浮き彫りにしている。

ABSTRACT

The Standard Model of cosmology of the 1980's was based on a remarkable interplay of ideas from particle theory, experiment and astrophysical observations. That model is now dead, and has been replaced by something far more bizarre. Interestingly, the aspect that has survived involves perhaps the most exotic component: dark matter that dominates the gravitational dynamics of all galaxies, and appears to be composed of a sea of new weakly interacting elementary particles. But this sea of dark matter appears to play second fiddle to an unknown energy density that appears to permeate all of space, causing the expansion of the Universe to accelerate. We are left with many more questions than answers, and our vision of the future of the Universe has completely changed. (Lectures Given at the XIV Canary Islands Winter School in Astrophysics 2002: Dark Matter and Dark Energy in the Universe. Nov 2002 To Appear in the Proceedings)

研究の動機と目的

• 1980年代の標準的宇宙論モデルから現在の、より謎めいたダークマターとダークエネルギー支配のフレームワークへの宇宙論的モデルの変容を分析すること。
• 特にCMB、超新星、大規模構造からの天体物理学的観測が、単一で一貫性のある宇宙論的モデルにどのように収束したかを検討すること。
• 非ゼロの宇宙定数または動的なダークエネルギーが、宇宙の今後の進化に与える影響を調査すること。
• 幾何学が宇宙の運命を決定するとする古典的考えを挑戦し、ダークエネルギーが従来の重力的収縮予測を上回り得ることを示すこと。
• 正確な測定がなされても、万物の理論がなければ宇宙の最終的運命は解明できないことを強調すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡・キープロジェクトの観測データを用いて、セフェイド変星と二次的距離指標を校正し、ハッブル定数の正確な測定を可能にする。
• 物質、放射、ダークエネルギーの成分を組み込んだ、フレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）宇宙論を用いて、宇宙の膨張をモデル化する。
• アインシュタインの場の方程式に宇宙定数を導入し、修正されたハッブル方程式および加速度方程式（式4.21–4.22）を導出することで、ダークエネルギーが加速膨張を引き起こす仕組みを示す。
• 強いエネルギー条件の破壊を評価し、閉じた宇宙であってもダークエネルギーが再収縮を防げる可能性を示す。
• 時間的に変化するポテンシャルを持つスカラー場を、定数の宇宙定数の代替として検討し、それがダークエネルギーの振る舞いを模倣できることを示す。
• 観測的宇宙論の限界を評価し、量子重力理論が完全に整備されていなければ、有限の観測セットでは宇宙の最終的運命を特定できないことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代の宇宙論的観測は、ハッブル定数、物質密度、ダークエネルギー密度の値をどのように制約するか？
• RQ2 ダークマターは銀河の運動をどのように形作るのか？ なぜそれは新しい宇宙論的モデルにおいて、最も奇妙だが存続する成分と見なされるのか？
• RQ3 宇宙定数またはダークエネルギーの存在が、物質支配モデルと比較して、宇宙の最終的運命に関する予測を根本的に変えるのはなぜか？
• RQ4 観測的宇宙論だけでは、宇宙が永遠に膨張し続けるか、再収縮するかを特定できるのか、それとも万物の理論が必要か？
• RQ5 非常に小さいがゼロでない宇宙定数が、宇宙の長期的進化、特に遠方銀河の可視性に与える影響は何か？

主な発見

• ハッブル宇宙望遠鏡・キープロジェクトは、ハッブル定数の不確実性を10%までに抑え、宇宙距離の強固な校正を達成した。
• CMBの不均一性、超新星の明るさ、大規模構造といった主な宇宙論的観測が、今やΩ_m ≈ 0.3およびΩ_Λ ≈ 0.7の単一のモデルに収束している。
• Ω_Λ ≈ 0.001という非常に小さい宇宙定数でさえ、閉じた宇宙の再収縮を防げる。これは、現在のまたは近い将来の装置では検出不可能である。
• 強いエネルギー条件はダークエネルギーによって破壊され、閉じた正の曲率を持つ宇宙であっても加速膨張が可能である。
• w = -1（宇宙定数）が今日の時点で確認されたとしても、スカラー場のポテンシャルの進化が分かっていない限り、宇宙の最終的運命は決定できない。
• ダークエネルギーによる加速が進行することで、遠方銀河が観測可能な範囲から徐々に消えていき、宇宙は冷たく、暗く、住めない状態になる可能性がある。