[論文レビュー] A comprehensive view of cosmological Dark Side

Salvatore Capozzıello, Gaetano Lambiase|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

このレビューでは、現代の宇宙論の枠組みにおいて、暗黒物質（DM）と暗黒エネルギー（DE）について包括的な分析を提供している。標準モデルと代替重力理論の両方を検討し、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMPs）やアクシオン、ブレインワールドのシナリオといったDMの理論的候補を評価するとともに、スカラー場から修正重力に至るDEモデルを検討している。観測的根拠は強く支持されているものの、依然として明確な解決策は得られていない。

ABSTRACT

Recent cosmological and astrophysical observations point out that the Universe is in accelerating expansion and filled up with non-luminous matter. In order to explain the observed large scale structures and this accelerating behavior one needs a huge amounts of Dark Energy and Dark Matter. Although many attempts have been done, both at theoretical and experimental level, up to now there are several models proposed to explain such mysterious components. However, no final conclusion on the nature of dark components has been reached up to now so the question is completely open. In this paper, we review, with no claim of completeness, the recent results and ideas underlying Dark Energy and Dark Matter issues.

研究の動機と目的

• 暗黒物質と暗黒エネルギーという、根本的に未解決な宇宙の2大要素に関する現在の知識状況をレビューすること。
• 宇宙背景放射の非一様性、超新星データ、重力レンズ効果を含む、暗黒物質および暗黒エネルギーの存在を支持する観測的証拠を検討すること。
• 素粒子物理学の候補から修正重力に至る理論的モデル—DMおよびDEの性質を説明することを目的としたもの—を検討すること。
• 一般相対性理論が大規模宇宙現象を記述するうえで抱える限界を評価し、ブレインワールド宇宙論や高次元重力といった代替理論を検討すること。
• 理論的モデルと実証的データの間にある未解決の矛盾を強調し、さらなる理論的および実験的作業の必要性を強調すること。

提案手法

• WMAP、Planck、Ia型超新星、大規模構造サーベイからの観測データを系統的にレビューし、宇宙論的パラメータを制限すること。
• 特にランダム＝サンドルムのシナリオを含むブレインワールドモデルにおけるフリードマン方程式の分析により、修正されたハッブル膨張を導出する：$ H^2 = \frac{8\pi G_4}{3}\rho(1 + \frac{\rho}{\rho_0}) - \frac{k}{a^2} + \frac{C}{a^4} $。
• WIMPs、アクシオン、スネュートリノ、スーパーウィムプスを含む素粒子物理学的モデルを、その残存密度と相互作用断面積に基づいて評価すること。
• スカラー場モデル（例：クインテッセンス）およびf(R)重力が、宇宙定数の代替として暗黒エネルギーを説明する方法を調査すること。
• 量子重力効果が顕著になる領域を評価するため、Planckエネルギー スケール $ E_{Pl} \sim 10^{19} \, \text{GeV} $ を用いること。
• 標準$\Lambda$CDMモデルの予測と観測データを比較し、$ \Omega_{\Lambda} \simeq 0.728 \pm 0.015 $、$ \Omega_{\text{CDM}} \simeq 0.227 \pm 0.014 $、および$ \Omega_B \lesssim 0.0456 \pm 0.0016 $ を含むこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗黒物質の最も現実的な理論的候補は何か？ また、それらは素粒子物理学の標準模型の拡張においてどのように生じるのか？
• RQ2 f(R)重力やブレインワールド宇宙論といった修正重力理論は、標準的なフリードマン方程式をどのように変更し、宇宙の進化にどのような影響を与えるのか？
• RQ3 暗黒エネルギーの存在を支持する観測的証拠は何か？ また、これらの観測は暗黒エネルギーの状態方程式をどの程度制限するか？
• RQ4 標準$\Lambda$CDMモデルは、観測データに適合しているものの、なぜ暗黒物質および暗黒エネルギーの根本的説明を提供できないのか？
• RQ5 一般相対性理論が破綻する領域はどこか？ そして、その影響は量子重力および力の統一にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 宇宙背景放射、超新星、大規模構造からの観測データは、暗黒エネルギー密度を$ \Omega_{\Lambda} \simeq 0.728 \pm 0.015 $ に制限しており、これは宇宙のエネルギー予算を支配していることを示している。
• 銀河のディスク領域における局所的暗黒物質密度は、$ \rho^{(local)}_{\text{DM}} \simeq 0.3 \, \text{GeV/cm}^3 $ と推定されており、間接検出の制限と整合的である。
• ブレインワールドモデルにおける暗黒物質の残存密度は、高エネルギー密度領域（$ \rho \gg \rho_0 $）でハッブル膨張率が$ H \sim \rho $ と変化するため、顕著に変化している。
• 一般相対性理論の非可重整化性およびPlanckスケール（$ E_{Pl} \sim 10^{19} \, \text{GeV} $）での破綻は、初期宇宙の宇宙論において量子重力効果が重要である可能性を示唆している。
• 広範な理論的および実験的取り組みにもかかわらず、まだ暗黒物質や暗黒エネルギーの明確な素粒子理論や場の理論モデルは確認されておらず、これらの成分の性質は根本的に未解決のままである。
• $\Lambda$CDMモデルは依然として最良の適合宇宙論的モデルであるが、未解明の成分（DM：25％、DE：70％）に依存しており、宇宙理解における大きなギャップを示している。