[논문 리뷰] Can quintessence and phantom cause the late time acceleration of the Universe

Alvina Burgazli, Maxim Eingorn외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 03.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 균질하지 않은 구조와 음수의 일정한 상태방정식(parameter ω)을 가진 완전기체로 지배되는 저시기 우주에서 스칼라 양상의 특성을 조사한다. 유체의 ω = −1/3(예: 고흐로된 우주현의 네트워크)일 경우에만 스칼라 양상 이론과 일치하며, 이는 평탄한, 열린, 닫힌 우주의 전반에 걸쳐 물리적으로 타당한 해를 가능하게 하고 중력포텐셜을 선제적으로 차단한다.

ABSTRACT

In this paper, we consider the Universe at the late stage of its evolution and deep inside the cell of uniformity. At these scales, the Universe is filled with inhomogeneously distributed discrete structures (galaxies, groups and clusters of galaxies). Supposing that the Universe contains also the cosmological constant and a perfect fluid with a negative constant equation of state (EoS) parameter $\omega$ (e.g., quintessence, phantom or frustrated network of topological defects), we investigate scalar perturbations of the FRW metrics due to inhomogeneities. Our analysis shows that, to be compatible with the theory of scalar perturbations, this perfect fluid, first, should be clustered and, second, should have the equation of state parameter $\omega=-1/3$. In particular, this value corresponds to the frustrated network of cosmic strings. Therefore, the frustrated network of domain walls with $\omega =-2/3$ is ruled out. A perfect fluid with $\omega =-1/3$ neither accelerates nor decelerates the Universe. We also obtain the equation for the nonrelativistic gravitational potential created by a system of inhomogeneities. Due to the perfect fluid with $\omega = -1/3$, the physically reasonable solutions take place for flat, open and closed Universes. This perfect fluid is concentrated around the inhomogeneities and results in screening of the gravitational potential.

연구 동기 및 목표

• 저시기 우주에서 균질하지 않은 구조와 우주상수를 포함한 완전기체의 음수의 일정한 상태방정식(parameter ω)이 스칼라 양상 이론과 얼마나 호환되는지 평가하기.
• 균일한 우주론적 모델 내에서 저시기 가속을 일관적으로 설명할 수 있는 퀘이낸스, 패런, 또는 고흐로된 위상 결함이 균질하지 않은 우주론적 모델에서 일관되게 작용할 수 있는지 확인하기.
• 균형 잡힌 중력포텐셜 해를 가능하게 하는 특정 상태방정식 매개변수 ω를 특정하기.
• 은하 및 덩어리와 같은 이산적 구조 주변에서 유체의 공간 분포와 중력포텐셜에 대한 선제적 차단 효과 분석하기.

제안 방법

• 저시기 우주를 균질한 이산적 구조(은하, 덩어리)와 일정한 ω를 가진 완전기체를 포함한 프리드만-로버트슨-워커(FRW) 계량으로 모델링하기.
• FRW 계량에 선형 스칼라 양상 이론을 적용하여 균질성의 영향으로 유도된 중력포텐셜 변동 연구하기.
• 균형 잡힌 중력포텐셜을 유도하기 위한 비상대론적 중력포텐셜 방정식 유도: 이는 균질성 기여와 완전기체 기여를 포함한다.
• 양상에 물리적 일관성 조건을 적용하여 허용 가능한 ω 값 제약하기: 유체가 군집되어 있어야 하며 안정된 해를 가져야 함.
• 평탄한, 열린, 닫힌 공간 기하학에 대한 해를 분석하여 결과의 일반성 평가하기.
• 유체가 군집되어 있어야 하고, 양상 방정식이 물리적으로 의미 있는 해를 가져야 한다는 조건을 적용하여 필수적인 ω = −1/3 유도하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균질하지 않은 저시기 우주에서 스칼라 양상 이론과 호환되는 상태방정식 매개변수 ω의 값은 무엇인가?
• RQ2 상태방정식 매개변수 ω = −1(우주상수) 또는 ω < −1(패런)인 완전기체가 균질성과 스칼라 양상과 일관되게 공존할 수 있는가?
• RQ3 상태방정식 매개변수 ω = −1/3인 유체가 다양한 공간 곡률에서 물리적으로 타당한 중력포텐셜 해를 제공하는가?
• RQ4 유체는 이질성 주변의 중력포텐셜에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 상태방정식 매개변수 ω = −2/3인 고흐로된 도메인 벽은 음수의 상태방정식 매개변수를 가졌음에도 불구하고 왜 배제되는가?

주요 결과

• 균형 잡힌 중력포텐셜 해를 가능하게 하는 오직 유체의 상태방정식 매개변수 ω = −1/3일 때만 스칼라 양상 이론과 호환된다.
• 유체가 군집되어 있어야 물리적으로 타당한 해를 얻을 수 있으며, 비군집 또는 균일 분포는 배제된다.
• ω = −1/3인 유체는 전체 우주의 팽창을 가속화하거나 감속시키지 않지만, 중력포텐셜에 대해 선제적 차단 효과를 제공한다.
• ω = −1/3일 경우 평탄한, 열린, 닫힌 우주에서 중력포텐셜 해가 물리적으로 타당하게 유지된다.
• ω = −1/3을 가진 고흐로된 우주현 네트워크는 이러한 유체에 대한 타당한 후보이며, ω = −2/3인 도메인 벽은 배제된다.
• 유체는 이질성 주변에 집중되어 효과적인 중력포텐셜을 감소시키며, 이는 선제적 차단 메커니즘을 나타낸다.