[논문 리뷰] Dynamical Vacuum against a rigid Cosmological Constant

Joan Solà, Rafael C. Nunes외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 우주 팽창을 설명하는 데 있어 우울한 상수(Λ)의 대안으로서의 동적 진공 모델(DVMs)을 조사한다. SNIa, BAO, H(z), LSS, CMB 데이터를 종합적으로 분석한 결과, 특히 변화하는 진공 모델(running vacuum model)이 ΛCDM보다 데이터에 훨씬 더 잘 맞는 것으로 나타났으며, Λ=const는 약 ~4σ의 신뢰수준에서 배제되었다. 이는 AIC 및 BIC 기준에 의해 강하게 지지된다.

ABSTRACT

When we are approaching the centenary of the introduction of the cosmological constant, $\Lambda$, by Einstein in his gravitational field equations, and after about two decades of the first observational papers confirming the existence of a non-vanishing, positive, $\Lambda$ as the most likely explanation for the observed acceleration of the Universe, we are still facing the question whether $\Lambda$ is truly a fundamental constant of Nature or a mildly evolving dynamical variable. In this work, we compare a triad of dynamical vacuum models (DVM's) in interaction with matter. By performing an overall fit to the $SNIa+BAO+H(z)+LSS+CMB$ cosmological data, we find that the three DVM's are significantly more favored than the $\Lambda$CDM. Compared to the best DVM (the running vacuum model) the option $\Lambda=$const is excluded at $\sim 4\sigma$ c.l. This conclusion is strongly supported by Akaike and Bayesian criteria, both rendering more than 25 points of difference against a rigid $\Lambda$.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 상수 Λ가 진정으로 일정한지, 아니면 약간 변화하는 동적 변수일 수 있는지 평가하는 것.
• 표준 ΛCDM 모델과 비교하여 세 가지 동적 진공 모델(DVMs)의 실현 가능성 테스트하기.
• 포괄적인 우주론적 데이터를 바탕으로 DVMs가 Λ=const보다 통계적으로 더 선호되는지 평가하는 것.
• 관측된 우주 팽창이 고정된 Λ가 아니라 시간에 따라 변화하는 진공 에너지로 설명될 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 진공 에너지 밀도를 가진 세 가지의 서로 다른 동적 진공 모델(DVMs)을 구성하며, 이는 물질과 상호작용한다.
• SNIa, BAO, H(z), LSS, CMB 관측 데이터를 종합한 데이터셋에 대해 전역 피팅을 수행한다.
• 모델 성능을 비교하기 위해 통계 기준인 아카이케 정보 기준(AIC)과 베이지안 정보 기준(BIC)을 적용한다.
• 가장 잘 맞는 DVM과 비교하여 Λ=const의 경우가 배제되는 정도를 우도 분석을 통해 계산한다.
• 진공 에너지 밀도를 허블 매개변수 또는 척도 인자에 대한 함수로 모델링하여 시간 변화를 허용한다.
• DVMs와 ΛCDM 모델 간의 베이지안 증거 및 정보 기준을 비교하여 모델 선호도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주론적 상수 Λ는 진정으로 일정한가, 아니면 약간 변화하는 동적 변수일 수 있는가?
• RQ2 동적 진공 모델은 현재의 우주론적 관측과 ΛCDM에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 상수 Λ를 배제할 때의 통계적 유의성은 어떠한가?
• RQ4 세 가지 DVM 중에서 어떤 모델이 SNIa+BAO+H(z)+LSS+CMB 데이터셋에 가장 잘 맞는가?
• RQ5 AIC 및 BIC 기준은 DVMs와 ΛCDM를 어떻게 순위 매기는가?

주요 결과

• 시험된 세 모델 중에서 변화하는 진공 모델(RVM)이 가장 뛰어난 성능을 보이며, 우주론적 데이터에 가장 잘 맞는다.
• 가장 잘 맞는 DVM과 비교할 때 Λ=const의 경우 약 4σ의 신뢰수준에서 배제된다.
• AIC 및 BIC 기준 모두에서 가장 잘 맞는 DVM이 ΛCDM 모델보다 25점 이상의 차이를 보이며 유리하다.
• SNIa+BAO+H(z)+LSS+CMB 데이터의 종합적 조합은 상수 Λ보다 동적 진공 에너지에 더 강력한 통계적 지지를 제공한다.
• 증거는 시간에 따라 변화하는 진공 에너지 밀도가 고정된 우주론적 상수보다 더 정확한 우주 팽창 기술로써 더 유리하다는 것을 강하게 지지한다.
• 결과는 우주론적 상수가 기본 상수일 수 없으며, 현재 관측의 맥락에서 효과적이고 변화하는 양일 수 있음을 시사한다.