[논문 리뷰] Difficulties in reconciling non-negligible differences between the local and cosmological values of the gravitational coupling in extended Brans-Dicke theories

Adrià Gómez Valent, Prajwal Hassan Puttasiddappa|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 31.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 66인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 확장된 브란스-딕 테이너리 이론에서 스크리닝 메커니즘이 우주론적 관측에서 관측된 4–9% 높은 효과적 중력 상수를 국소적으로 측정된 뉴턴 상수와 조화시키는 데 성공할 수 있는지 조사한다. 다양한 스크리닝 메커니즘을 고려했음에도 불구하고, 연구는 그들이 생성할 수 있는 편차가 극히 미미하여 $H_0$와 $\sigma_8$의 관측된 갈등을 설명하기에는 부족하며, 태양계 제약 조건을 위반하지 않도록 하기에는 충분하지 않다는 것을 발견한다.

ABSTRACT

Recent studies by Sola Peracaula, Gomez-Valent, de Cruz Perez and Moreno-Pulido (2019,2020) have pointed out the intriguing possibility that Brans-Dicke cosmology with constant vacuum energy density (BD-$\Lambda$CDM) may be able to alleviate the $H_0$ and $\sigma_8$ tensions that are found in the framework of the concordance cosmological model (GR-$\Lambda$CDM). The fitting analyses presented in these works indicate a preference for values of the effective gravitational coupling appearing in the Friedmann equation, $G$, about $4-9\%$ larger than Newton's constant (as measured on Earth), and mildy evolving with the expansion of the universe. The signal reaches the $\sim 3.5\sigma$ c.l. when the prior on $H_0$ from SH0ES and the angular diameter distances to strong gravitationally lensed quasars measured by H0LICOW are considered, and the $\sim 3\sigma$ c.l. when only the former is included. Thus, the improvement in the description of the cosmological datasets relies on the existence of a mechanism capable of screening the modified gravity effects at those scales where deviations from standard General Relativity (GR) are highly constrained, as in the Solar System. In this paper we explore several extensions of BD-$\Lambda$CDM that can leave the cosmological evolution basically unaltered at the background and linear perturbations level, while being able to screen the Brans-Dicke effects inside the regions of interest, leading to standard GR. We search for weak-field solutions around spherical static massive objects with no internal pressure and show that, unfortunately, these mechanisms can only explain very tiny departures of the effective cosmological gravitational coupling from the one measured locally. This might hinder the ability of BD-$\Lambda$CDM to alleviate the cosmological tensions.

연구 동기 및 목표

• 확장된 브란스-딕 이론이 $\Lambda$CDM 모델에서 관측된 $H_0$와 $\sigma_8$ 갈등을 해결할 수 있는지 평가하기.
• 스크리닝 메커니즘이 태양계와 같은 고밀도 환경에서 일반상대성 이론에서의 편차를 억제하면서도, 우주론적 맥락에서는 강화된 중력 상수를 허용할 수 있는지 조사하기.
• 정적이고 압력이 없는 물체 주위의 약한 필드 해가 국소 중력 제약 조건을 위반하지 않으면서도 필요한 우주론적 편차를 재현할 수 있는지 결정하기.
• 실제 스크리닝 시나리오 하에서 BD-$\Lambda$CDM가 우주론적 갈등을 해결하는 데 실현 가능할지 평가하기.

제안 방법

• 확장된 브란스-딕 이론에서 구형 대칭, 정적, 압력이 없는 질량을 가진 물체에 대한 약한 필드 해를 유도하기.
• 태양계와 같은 고밀도 환경에서 일반상대성 이론에서의 편차를 억제하는 스크리닝 메커니즘의 적용하기.
• 우주론적 값과 국소 측정값을 비교하기 위해 약한 필드 근사에서 효과적 중력 상수 분석하기.
• BD-$\Lambda$CDM의 배경 진화와의 일관성을 확보하기 위해 장 방정정식에 추적 자유 조건을 사용하기.
• 태양계 실험 제약 조건과 예측된 중력 포텐셜을 비교하기.
• 약한 필드 영역에서 뉴턴 상수에서의 결과 편차를 수치적으로 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장된 브란스-딕 이론에 스크리닝 메커니즘이 있는 경우, 우주론적 중력 상수가 뉴턴 상수보다 4–9% 더 큰가?
• RQ2 스크리닝 메커니즘은 태양계에서 일반상대성 이론에서의 편차를 어느 정도 억제하면서도 우주론적 수정을 유지할 수 있는가?
• RQ3 약한 필드, 정적, 구형 대칭 해에서 효과적 중력 상수가 뉴턴 상수에서 최대 얼마나 벗어날 수 있는가?
• RQ4 국소 중력 실험에서의 제약 조건은 BD-$\Lambda$CDM가 우주론적 갈등을 해결하는 데 있어 실현 가능성을 어떻게 제한하는가?
• RQ5 우주론적 데이터에서 관측된 약 $\sim 3.5\sigma$의 $G$ 증가 경향이 국소 측정값과 조화를 이룰 수 있는가?

주요 결과

• 논문에서 다룬 스크리닝 메커니즘은 뉴턴 상수에서 효과적 중력 상수의 편차를 너무 작게 만들어, 우주론적 데이터에서 관측된 4–9%의 증가를 설명하기에는 부족하다.
• 정적이고 압력이 없는 물체 주위의 약한 필드 해는 표준 중력에서 극히 미미한 이격을 보이며, 필요한 우주론적 신호에 못 미친다.
• 약한 필드 영역에서 허용되는 최대 편차는 태양계 제약 조건을 위반하지 않으면서도 $H_0$와 $\sigma_8$ 갈등을 조화시키기에는 부족하다.
• SH0ES와 H0LICOW에서 유리한 사전 확률을 가정하더라도, 스크리닝 메커니즘은 우주 스케일에서 $G$의 필요로 하는 증가를 생성하지 못한다.
• 결과적으로, 고려된 스크리닝 메커니즘을 초월한 새로운 물리학이 도입되지 않는 한, BD-$\Lambda$CDM는 우주론적 갈등의 해결책으로 실현 가능성이 없을 것으로 보인다.