[논문 리뷰] Low-redshift tests of Newtonian cosmologies with a time-varying gravitational constant

Ekim Taylan Hanımeli, I. Tutusaus외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 41인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 시간에 따라 변하는 중력상수 G(t)를 가진 뉴턴 천문학 모델을 조사하며, 감소하는 G를 가진 모델이 어두운 에너지나 진공 에너지 상수를 요구하지 않고도 저적색편이 천문학적 관측자료—예를 들어 Ia 초신성, 양성자 음향 진동, 허블 매개변수 측정치—에 잘 맞는다는 것을 보여준다. 주요 결과는 적색편이에 따라 변하는 초신성 밝기와 함께 지수적으로 감소하는 G(t)가 우주적 가속을 요구하지 않고 관측을 설명할 수 있다는 것이다.

ABSTRACT

In this work, we investigate Newtonian cosmologies with a time-varying gravitational constant, $G(t)$. We examine whether such models can reproduce the low-redshift cosmological observations without a cosmological constant, or any other sort of explicit dark energy fluid. Starting with a modified Newton's second law, where $G$ is taken as a function of time, we derive the first Friedmann--Lema{\^i}tre equation, where a second parameter, $G^*$, appears as the gravitational constant. This parameter is related to the original $G$ from the second law, which remains in the acceleration equation. We use this approach to reproduce various cosmological scenarios that are studied in the literature, and we test these models with low-redshift probes: type-Ia supernovae (SNIa), baryon acoustic oscillations, and cosmic chronometers, taking also into account a possible change in the supernovae intrinsic luminosity with redshift. As a result, we obtain several models with similar $\chi^2$ values as the standard $\Lambda$CDM cosmology. When we allow for a redshift-dependence of the SNIa intrinsic luminosity, a model with a $G$ exponentially decreasing to zero while remaining positive (model 4) can explain the observations without acceleration. When we assume no redshift-dependence of SNIa, the observations favour a negative $G$ at large scales, while $G^*$ remains positive for most of these models. We conclude that these models offer interesting interpretations to the low-redshift cosmological observations, without needing a dark energy term.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 중력상수 G(t)를 가진 뉴턴 천문학 모델이 어두운 에너지나 진공 에너지 상수를 도입하지 않고도 저적색편 천문학 관측을 설명할 수 있는지 탐색하는 것.
• 수정된 뉴턴의 제2법칙과 첫 번째 프리드만–레마트르 방정식에서 유도되는 두 가지 별개의 중력 매개변수 G와 G∗의 역할을 검토하는 것.
• Ia 초신성의 적색편이에 따라 변하는 본질적 밝기의 영향이 G(t) 모델의 타당성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 저적색편 탐사자료를 사용하여 변하는 G 모델과 표준 ΛCDM 모델의 성능을 비교하는 것.
• Ia 초신성이 표준 캔들로 간주될 경우, 우주의 가속을 달성하기 위해 가속 방정식에서 G의 음수 값이 필요로 하는지 여부를 규명하는 것.

제안 방법

• G가 시간에 따라 변하는 함수인 경우, 수정된 뉴턴의 제2법칙에서 첫 번째 프리드만–레마트르 방정식을 유도하며, 이 과정에서 G∗라는 두 번째 매개변수를 도입한다.
• 원래의 G(t)를 사용해 운동을 기술하는 수정된 가속도 방정식을 사용하지만, G∗는 에너지 밀도 관계에 나타난다.
• 저적색편 관측자료를 사용해 모델 매개변수를 제약한다: Ia 초신성(SNIa), 양성자 음향 진동(BAO), 우주 시계(cosmic chronometers).
• G의 변화가 초신성 밝기에 영향을 줄 수 있다는 점을 고려해, SNIa의 본질적 밝기가 적색편이에 따라 변할 수 있도록 허용한다.
• χ² 최소화를 수행하여 다양한 G(t)의 함수 형태에 대해 모델의 적합도를 ΛCDM 모델과 비교하고, 적합도의 정도를 평가한다.
• 지수 감소, 거듭제곱 법칙, 현재 시점 주변의 2차 테일러 전개 등 다양한 G(t)의 함수 형태를 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 G(t)를 가진 뉴턴 천문학 모델이 진공 에너지 상수 없이 저적색편 천문학 관측을 재현할 수 있는가?
• RQ2 G가 시간에 따라 변할 경우 프리드만–레마트르 방정식에서 두 개의 중력 매개변수 G와 G∗의 역할은 무엇인가?
• RQ3 Ia 초신성의 본질적 밝기가 적색편이에 따라 변할 경우, 감소하는 G를 가진 모델이 우주의 가속을 피할 수 있는가?
• RQ4 Ia 초신성이 표준 캔들로 간주될 경우, 가속을 달성하기 위해 G의 음수 값이 필요로 하는가?
• RQ5 현재 시점 주변의 G(t)에 대한 2차 테일러 전개 모델이 ΛCDM와 유사한 χ² 값을 갖는다 하더라도, ΛCDM의 가속 패턴을 얼마나 잘 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 지속적으로 감소하여 저적색편에서 0에 수렴하는 지수 감소하는 G(t)와 함께 적색편이에 따라 변하는 Ia 초신성의 본질적 밝기를 고려한 모델은 ΛCDM와 유사한 χ²를 보이며 저적색편 관측자료에 잘 맞는다. 이는 우주의 가속을 요구하지 않음에도 관측을 설명할 수 있음을 의미한다.
• Ia 초신성의 본질적 밝기가 일정하다고 가정할 경우, 가속을 만들어내기 위해 저적색편에서 G의 값이 음수가 되어야 하며, 이는 가속이 진공 에너지 상수 때문이 아니라 G의 부호에 의해 결정된다는 것을 시사한다.
• 대부분의 타당한 모델에서 G∗는 여전히 양수이지만, G가 음수가 되더라도 그렇다. 이는 에너지 방정식에서의 효과적인 중력 강도가 여전히 양수임을 의미한다.
• 현재 시점 주변의 G(t)에 대한 2차 테일러 전개는 ΛCDM와 유사한 χ² 값을 얻으며, 이는 저적색편 영역에서 국소적 전개의 타당성을 보여준다.
• 지수 감소하는 G(t)와 적색편이에 따라 변하는 Ia 초신성 밝기를 가진 모델은 이전의 Rh = ct 천문학 모델 분석과도 일치하며, 더 넓은 범위의 대체 천문학 프레임워크와의 호환성을 시사한다.
• 이론적 제약에도 불구하고, 수정된 뉴턴 천문학 프레임워크는 어두운 에너지의 대안으로서 타당한 선택이 되며, 시간에 따라 변하는 중력상수를 통해 우주의 가속을 현상학적으로 설명할 수 있다.