[논문 리뷰] Observational support for approaching cosmic doomsday

Jose Beltrán Jiménez, Ruth Lazkoz외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 18.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페임톤 유사한 어두운 에너지 또는 수정된 중력에 의해 유도되는 미래의 특이점이 있는 우주론적 모델을 조사하며, SN Ia, BAO, H(z) 데이터를 사용하여 이러한 특이점의 발생 시기를 제약한다. 연구 결과, 현재로부터 약 28억 년 후에나 우주 종말이 시작될 수 있으며, 이는 특이점이 현재 우주의 연령의 1.2배 이내로는 상당히 이르게 발생할 수 없다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

In this work we consider a family of cosmological models featuring future singularities. This type of cosmological evolution is typical of dark energy models with an equation of state violating some of the standard energy conditions (e.g. the null energy condition). Such kind of behavior, widely studied in the literature, may arise in cosmologies with phantom fields, theories of modified gravity or models with interacting dark matter/dark energy. We briefly review the physical consequences of these cosmological evolutions regarding geodesic completeness and the divergence of tidal forces in order to emphasize under which circumstances the singularities in some cosmological quantities correspond to actual singular spacetimes. We then introduce several phenomenological parameterizations of the Hubble expansion rate to model different singularities existing in the literature and use SN Ia, BAO and H(z) data to constrain how far in the future the singularity needs to be (under some reasonable assumptions on the behaviour of the Hubble factor). We show that quite generally, the lower bound for the singularity time can not be smaller than about 1.2 times the age of the universe, what roughly speaking means approximately 2.8 Gyrs from the present time.

연구 동기 및 목표

• 표준 에너지 조건을 위반하는 상태방정식을 가진 어두운 에너지에서 기인하는 미래의 특이점이 있는 우주론적 모델을 검토하기 위해.
• 이러한 특이점이 순수한 우주론적 양수의 발산이 아니라 진정으로 시공간 특이점인지를 판단하기 위한 물리적 조건을 평가하기 위해.
• 허블 팽창률에 대한 관측 데이터를 이용하여 이러한 특이점의 시기를 제약하기 위해.
• 허블 파라미터의 행동에 대해 합리적인 가정을 둘 때, 미래의 특이점까지의 시간에 대한 하한을 결정하기 위해.

제안 방법

• 문헌에서 발견된 다양한 유형의 미래 특이점을 나타내기 위해 현상학적 모델을 사용하여 허블 팽창률을 매개변수화하기 위해.
• 일반적인 초신성 Ia(SN Ia), 핵합성파동(BAO), 직접적인 H(z) 측정 데이터를 적용하여 모델 파라미터를 제약하기 위해.
• 다양한 특이점 모델이 현재의 우주론적 데이터와 얼마나 호환되는지 평가하기 위해 우도 분석을 사용하기 위해.
• 지오데식 완전성과 tidal 힘의 발산을 중심으로 물리적 특이점과 수학적 오류를 구분하기 위해.
• 허블 인자 변화에 대한 합리적인 가정 하에 제약 조건의 탄력성을 평가하기 위해.
• 이러한 모델에서 에너지 조건(예: 영 에너지 조건) 위반의 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 관측 제약 조건을 고려할 때, 미래의 우주 특이점이 발생할 수 있는 가장 이른 시기는 언제인가요?
• RQ2 어떤 조건에서 우주론적 양수의 특이점이 발산하는 tidal 힘을 가진 실제 시공간 특이점으로 간주될 수 있나요?
• RQ3 허블 팽창률의 다양한 매개변수화 방식이 미래 특이점의 추정 시기에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 SN Ia, BAO, H(z) 데이터는 페임톤 유사 어두운 에너지 특이점의 존재와 발생 시기에 얼마나 강하게 제약을 가하나요?
• RQ5 허블 파라미터에 대해 물리적으로 타당한 가정을 둘 때, 미래 특이점까지의 시간에 대해 어떤 하한을 설정할 수 있나요?

주요 결과

• 미래 특이점까지의 시간에 대한 하한은 현재로부터 약 28억 년 이내로 제약된다.
• 이 하한은 현재 우주의 연령의 약 1.2배에 해당하며, 특이점이 현저히 빨리 발생할 수는 없음을 시사한다.
• 분석 결과, 우주론적 양수의 특이점이 항상 물리적 시공간 특이점으로 이어지는 것은 아니며, 지오데식 완전성과 tidal 힘의 행동에 따라 달라진다.
• SN Ia, BAO, H(z) 데이터는 매우 이른 미래의 특이점에 대해 강하게 반대한다.
• 결과는 허블 파라미터의 변화에 대한 합리적인 가정 하에서도 탄탄하며, 하한 추정치를 강화한다.
• 특이점이 최소한 현재로부터 28억 년 후에 발생하는 한, 페임톤 필드 또는 수정된 중력 모델은 여전히 타당하다.