[논문 리뷰] Crossing the cosmological constant barrier with kinetically interacting double quintessence

Sourav Sur|ArXiv.org|2009. 02. 06.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 23인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 높은 차원의 시공간에서 D3-브레인의 유효 작용에서 유도된, 스칼라 장 간의 운동 에너지 상호작용을 포함하는 이중장 퀀티세스 모델을 제안한다. 이 모델은 안정성과 유니타리성 위반 없이도 암흑 에너지 상태 방정식 $w_X$ 가 $w_X = -1$ 장벽(우주상수 장벽)을 초월하도록 한다. 모델은 유한한 해밀토니안과 양의 음파 속도를 유지하면서도, 초월를 달성하며, SN Ia, WMAP 및 BAO 데이터와 잘 맞는다. $w_X$ 는 $z \sim 0.215-0.245$ 에서 $-1$ 을 초월하고, 가속화로의 전이가 $z \sim 0.56-0.6$ 에서 발생한다. 효과적 잠재력은 매끄럽고, 암흑 에너지의 진화는 미래의 특이성이 없이 이루어진다.

ABSTRACT

We examine the plausibility of crossing the cosmological constant ($Ł$) barrier in a two-field quintessence model of dark energy, involving a kinetic interaction between the individual fields. Such a kinetic interaction may have its origin in the four dimensional effective two-field version of the Dirac-Born-Infeld action, that describes the motion of a D3-brane in a higher dimensional space-time. We show that this interaction term could indeed enable the dark energy equation of state parameter $\wx$ to cross the $Ł$-barrier (i.e., $\wx = -1$), keeping the Hamiltonian well behaved (bounded from below), as well as satisfying the condition of stability of cosmological density perturbations, i.e., the positivity of the squares of the sound speeds corresponding to the adiabatic and entropy modes. The model is found to fit well with the latest Supernova Union data and the WMAP results. The best fit curve for $\wx$ crosses -1 at red-shift $z$ in the range $\sim 0.215 - 0.245$, whereas the transition from deceleration to acceleration takes place in the range of $z \sim 0.56 - 0.6$. The scalar potential reconstructed using the best fit model parameters is found to vary smoothly with time, while the dark energy density nearly follows the matter density at early epochs, becomes dominant in recent past, and slowly increases thereafter without giving rise to singularities in finite future.

연구 동기 및 목표

• 우주상수 장벽($w_X = -1$)이 안정성 또는 유니타리성 위반 없이 이중장 퀀티세스 모델에서 초월될 수 있는지 탐색한다.
• 스칼라 장 간의 운동 에너지 상호작용이 $w_X < -1$ 를 가능하게 하면서도 잘 정의된 해밀토니안과 안정적인 우주론적 섭동을 유지하는 데서의 역할을 조사한다.
• 초기 초신성 연합, WMAP 및 은하계 기반 음향 진동 측정 데이터와의 일치성을 테스트한다.
• 모델이 미래의 특이성이 없고, 암흑 에너지 밀도가 시간에 따라 매끄럽고 특이성이 없는 방식으로 진화하는지를 보여준다.

제안 방법

• 모델은 높은 차원의 시공간에서 D3-브레인의 4차원 유효 작용에서 유도되며, 운동 에너지 상호작용이 포함된 디랙-본-인펠트 유형의 라그랑지안을 형성한다.
• 운동 에너지 상호작용은 장 공간의 메트릭과 결합 계수 $\gamma$ 를 통해 매개되며, $\gamma \gg \mathcal{G}_{12} \gg 1$ 이라는 가정 하에 작은 매개변수에 대한 전개가 가능하다.
• 효과적 라그랑지안은 $\mathcal{L} = \frac{1}{2}(\dot{\phi}^2 + \dot{\xi}^2) - \gamma \sqrt{1 - \frac{\beta}{2} \dot{\phi} \dot{\xi}} - V(\phi, \xi)$ 로 근사되며, 여기서 $\beta = 4\mathcal{G}_{12}/\gamma$ 이다. 이는 KIDQ(운동 에너지 상호작용 이중 퀀티세스) 모델을 형성한다.
• adiabatic 및 entropy 모드의 음파 속도는 효과적 라그랑지안에서 계산되며, 음의 양의 값을 유지함으로써 우주론적 안정성을 확보한다.
• 초기 초신성 연합 데이터, WMAP 5년 결과, BAO 데이터를 사용하여 모델을 제약 조건에 둔다. 이를 통해 최적의 매개변수를 도출한다.
• 최적 매개변수로부터 스칼라 잠재력이 재구성되며, $w_X$, 암흑 에너지 밀도, 스케일 인자에 대한 수치적 분석이 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 에너지 상호작용을 포함하는 이중장 퀀티세스 모델에서 암흑 에너지 상태 방정식 $w_X$ 가 $w_X = -1$ 장벽을 안정성 또는 유니타리성 위반 없이 초월할 수 있는가?
• RQ2 스칼라 장 간의 운동 에너지 상호작용이 포함된 경우, 안정적이고 유한한 해밀토니안을 유지하면서도 $w_X < -1$ 를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 KIDQ 모델은 초신성 Ia, CMB 이방성 및 은하계 기반 음향 진동 측정과 잘 맞는가?
• RQ4 이 모델에서 $w_X$ 와 감속에서 가속으로의 전이에 대한 적색편이 진화는 어떠한가?
• RQ5 재구성된 스칼라 잠재력은 매끄럽고, 암흑 에너지 밀도는 미래의 특이성이 없이 진화하는가?

주요 결과

• KIDQ 모델은 암흑 에너지 상태 방정식 $w_X$ 가 $w_X = -1$ 을 $z \sim 0.215-0.245$ 에서 초월하도록 하며, SN Ia, WMAP 및 BAO 데이터의 관측 제약 조건과 일치한다.
• 감속에서 가속으로의 전이가 $z \sim 0.56-0.6$ 에서 발생하며, 관측된 천체역학적 시계열과 일치한다.
• adiabatic 및 entropy 모드의 음파 속도는 항상 양의 값이며, 빛의 속도에 가까운 값을 유지하여 우주론적 안정성을 보장한다.
• 해밀토니안은 아래에서 유한하며, 페임스 필드와 관련된 양자적 및 고전적 불안정성 문제를 피한다.
• 재구성된 스칼라 잠재력은 시간에 따라 매끄럽게 변화하며, 초기에는 물질 밀도와 함께 진화하다가 최근에 암흑 에너지 밀도가 지배적이 된다.
• 모델은 미래의 특이성이 없으며, 유한한 미래에 암흑 에너지 밀도가 병적인 경향 없이 천천히 증가한다.