[논문 리뷰] Signatures of cosmological backreaction

Nan Li, Dominik J. Schwarz|arXiv (Cornell University)|2007. 10. 26.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 공액 동기 게이지에서 우주론적 섭동 이론과 부흐베르트의 비섭동 평균화 방법을 조합하여 섭동 프레임워크 내에서 우주론적 역작용을 조사한다. 이는 평균화된 관측량의 2차 항에서의 주요 기여가 경계 조건에 의해 완전히 결정됨을 보여주며, 유한 도메인에 대해 역작용이 실재하고 영향을 미친다는 것을 증명한다. 이는 시간과 척도에 따라 변하는 효과적인 상태방정식을 가진다.

ABSTRACT

Abstract. Cosmological backreaction has been suggested as an explanation of dark energy and is heavily disputed since. We combine cosmological perturbation theory with Buchert’s non-perturbative framework, calculate the relevant averaged observables up to second order in the comoving synchronous gauge, and discuss their gauge dependence. With the help of an integrability condition the leading second order contributions follow from the first order calculation. We focus on the onset of cosmological backreaction, as a perturbative treatment is necessarily restricted to the era when the effect is still small. We demonstrate that the leading contributions to all averaged physical observables are completely specified on the boundary of the averaged domain. For any finite domain these surface terms are nonzero in general and thus backreaction is for real. We map the backreaction effect on an effectively homogeneous and isotropic fluid. The generic effective equation of state is not only time dependent, but also depends on scale.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 역작용이 일관된 섭동 프레임워크 내에서 암흑 에너지를 설명할 수 있는가를 조사하는 것.
• 역작용 계산에서 평균화된 관측량의 게이지 의존성을 해결하는 것.
• 우주론적 섭동 이론에서 주요 2차 역작용 효과의 기원과 구조를 규명하는 것.
• 역작용 효과를 효과적인 균일하고 등방성 유체 기술로 매핑하는 것.
• 경계 항이 유한 도메인에서 비영인 역작용을 생성하는 데서 수행하는 역할을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 공액 동기 게이지에서 우주론적 섭동 이론과 부흐베르트의 비섭동 평균화 형식을 조합하는 것.
• 섭동 이론의 2차까지 평균화된 물리적 관측량을 계산하는 것.
• 일관성 조건을 적용하여 1차 결과로부터 2차 기여를 유도하는 것.
• 평균화된 양의 게이지 의존성을 분석하여 물리적 일관성을 확보하는 것.
• 도메인 표면의 경계 항이 주요 2차 역작용 효과의 唯一支원원인임을 규명하는 것.
• 효과적인 역학을 평균화된 유체로 매핑하여 시간과 척도에 따라 변하는 상태방정식을 제공하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섭동 이론의 2차에서 평균화된 관측량에 대한 주요 기여는 무엇인가?
• RQ2 평균화된 도메인의 경계 조건이 역작용 효과의 크기와 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 역작용은 어느 정도 게이지 의존성이 있으며, 물리적 프레임워크에서 이러한 의존성은 어떻게 해결될 수 있는가?
• RQ4 역작용이 암흑 에너지를 모방하는 효과적인 상태방정식을 생성할 수 있으며, 이는 시간과 척도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 역작용은 실재적인 물리적 효과인가, 아니면 유한 도메인에서의 평균화의 산물인가?

주요 결과

• 모든 평균화된 물리적 관측량에 대한 2차 주요 기여는 평균화된 도메인의 경계에 의해 완전히 결정되며, 이 단계에서 부피 기여는 없다.
• 비영인 표면 항으로 인해 유한 도메인에 대해 항상 비영인 역작용이 존재하므로, 이는 실재적인 물리적 효과임을 증명한다.
• 역작용으로부터 유도된 효과적인 상태방정식은 시간에 따라 변하며 척도에 따라도 변하며, 일정한 값이 아니다.
• 일관성 조건은 1차와 2차 역작용 기여 간의 일관성을 보장하며, 이는 2차 효과가 1차 계산으로부터 유도될 수 있음을 허용한다.
• 평균화된 관측량의 게이지 의존성은 경계에 의해 유도되는 효과에 초점을 맞춤으로써 해결되며, 이는 물리적으로 의미 있고 게이지 변환에 대해 불변하다.
• 이 프레임워크는 역작용을 효과적인 균일하고 등방성 유체로 매핑하여 그 거시적 영향을 현상학적으로 기술한다.