[논문 리뷰] Cosmological Structure Evolution and CMB Anisotropies in DGP Braneworlds

Ignacy Sawicki, Sean M. Carroll|arXiv (Cornell University)|2005. 10. 12.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 중력이 5차원 공간에서 거리가 길어질수록 수정되는 3-brane를 가진 DGP 브레인월드 모형에서 우주 구조의 진화와 CMB 이방이성에 대해 조사한다. DGP 모형은 통합 사크스-울프 효과를 억제하여 ΛCDM 모형보다 저다중수 CMB 데이터에 더 잘 맞는다. 그러나 초신성 데이터와 마지막 산란 거리에 대한 예측은 실패하여, 평탄한 우주에서 ΛCDM 모형이 전체적으로 더 나은 맞춤을 보인다.

ABSTRACT

The braneworld model of Dvali, Gabadadze and Porrati (DGP) provides an intriguing modification of gravity at large distances and late times. By embedding a three-brane in an uncompactified extra dimension with separate Einstein-Hilbert terms for both brane and bulk, the DGP model allows for an accelerating universe at late times even in the absence of an explicit vacuum energy. We examine the evolution of cosmological perturbations on large scales in this theory. At late times, perturbations enter a DGP regime in which the effective value of Newton's constant increases as the background density diminishes. This leads to a suppression of the integrated Sachs-Wolfe effect, bringing DGP gravity into slightly better agreement with WMAP data than conventional LCDM. However, we find that this is not enough to compensate for the significantly worse fit to supernova data and the distance to the last-scattering surface in the pure DGP model. LCDM is, therefore, a better fit.

연구 동기 및 목표

• DGP 브레인월드 모형에서 거대 천체 구조의 파erturbation 진화를 분석하기 위해.
• DGP에서 수정된 중력이 통합 사크스-울프(ISW) 효과와 CMB 이방성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 표준 ΛCDM 모형과 비교하여 DGP 모형이 WMAP CMB 데이터와 초신성 허블도에 얼마나 잘 맞는지 평가하기 위해.
• 어두운 에너지 없이도 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있는가를 확인하기 위해.
• DGP 중력에서 효과적인 뉴턴 상수의 특성을 명확히 하여 배경 밀도에 따라 변하며 잠재력 진화에 영향을 준다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 브레인과 부스터에 별도의 아인슈타인-힐베르트 항을 포함한 5차원 작용에서 브레인에 대한 효과적 장 방정식을 유도하며, 브레인의 장력과 부스터의 진공 에너지 밀도를 포함한다.
• 로버트슨-워커 배경에 대해 선형 편미분 이론을 적용하여 구조 성장과 중력 포텐셜의 진화를 연구한다.
• 소규모 편미분에 대해 효과적인 뉴턴 상수를 계산하여, 에너지 밀도에 따라 의존하고 저밀도에서 증가함을 보여준다.
• 수정된 CMBFAST 시뮬레이션을 사용하여 CMB 스펙트럼에 대한 ISW와 SW 기여를 계산하며, 상관관계를 고려한다.
• DGP 모형에서 CMB 스펙트럼의 비-ISW 성분을 분리하기 위해 상관관계 계수 R을 정의한다.
• R과 ISW-ISW 성분을 사용하여 DGP 특유의 스펙트럼을 구하고, WMAP 데이터와 비교할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DGP 브레인월드 모형에서 효과적인 뉴턴 상수가 어떻게 진화하는가? 이는 구조 성장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 ΛCDM 모형과 비교할 때 DGP 모형은 통합 사크스-울프 효과를 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 DGP 모형은 표준 ΛCDM 모형보다 저다중수 CMB 이방성 데이터에 더 잘 맞는가?
• RQ4 DGP 모형은 관측된 Ia 초신성의 허블도와 얼마나 잘 맞는가?
• RQ5 DGP 모형은 어두운 에너지 없이도 우주의 가속 팽창, CMB 스펙트럼, 그리고 마지막 산란 표면까지의 거리를 동시에 설명할 수 있는가? (정교한 조정 없이)

주요 결과

• 저밀도 영역에서 증가하는 효과적인 뉴턴 상수로 인해 DGP 모형은 통합 사크스-울프 효과를 억제하며, 이는 후기 시기에 중력 포텐셜의 감쇠가 줄어들게 한다.
• 이 억제 효과로 인해 DGP 모형은 WMAP가 관측한 저다중수 CMB 이방성 데이터에 ΛCDM 모형보다 더 잘 맞는다.
• 비록 CMB 데이터에 대한 맞춤이 향상되었지만, DGP 모형은 우주의 가속 패턴이 더 서서히 시작됨을 예측하여 Ia 초신성 허블도 데이터에 대한 맞춤이 악화된다.
• 초신성 제약 조건과 함께 고려할 경우, DGP 모형은 마지막 산란 표면까지의 거리를 정확히 재현하지 못하며, 관측 결과와 모순된다.
• 전반적으로 CMB와 초신성 데이터를 모두 고려할 경우, DGP 모형은 ΛCDM 모형에 비해 떨어지며, 저다중수 CMB 이상 현상에 대한 개선은 있지만 전체적으로는 열 劣화됨.