[論文レビュー] A primer on problems and prospects of dark energy

M. Sami|ArXiv.org|Apr 22, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 74被引用数 9

ひとこと要約

このレビューは、一般相対性理論に依存せずに、ニュートン的宇宙論とスカラー場の力学を用いて、暗黒エネルギーとその代替理論について教育的入門を行う。宇宙の加速膨張を説明し、微調整問題と一致問題といった主な課題を強調し、スカラー場や修正重力（例：f(R)理論）を評価し、高次曲率補正とカメレオン機構による特異点の解決を議論する。

ABSTRACT

This review on dark energy is intended for a wider audience, beginners as well as experts. It contains important notes on various aspects of dark energy and its alternatives. The section on Newtonian cosmology followed by heuristic arguments to capture the pressure effects allows us to discuss the basic features of physics of cosmic acceleration without actually resorting to the framework of general theory of relativity. The brief discussion on observational aspects of dark energy is followed by a detailed exposition of underlying features of scalar field dynamic relevant to cosmology. The review includes pedagogical presentation of generic features of models of dark energy and its possible alternatives.

研究の動機と目的

• 大学院生および非専門家向けに、一般相対性理論を用いずに、非技術的かつ理解しやすい形で暗黒エネルギーと宇宙の加速膨張を紹介すること。
• 一般相対性理論の完全な形式的枠組みを避けて、ニュートン的宇宙論と直感的議論を用いて、晩期の宇宙的加速の物理を説明すること。
• 宇宙定数の理論的・観測的課題、特に微調整問題と一致問題を分析すること。
• 動的代替理論としてのスカラー場モデル（例：クインテッセンス、ファントム、タキオン）を検討し、宇宙定数との類似性を明らかにすること。
• 特にf(R)重力を含む修正重力理論を検討し、局所的重力制約と特異点の問題を踏まえてその妥当性を評価すること。

提案手法

• 圧力補正を加えたニュートン的宇宙論を用いて、宇宙の加速を現象論的にモデル化する。
• 宇宙定数Λをニュートン的重力における反発的項として導入し、その加速的膨張における役割を説明する。
• スカラー場の力学を用いて暗黒エネルギーをモデル化し、膨張宇宙における有効ポテンシャルと場の時間発展を分析する。
• R²や高次曲率項を含むスタロビンスキー型の修正を含むf(R)重力モデルを検討する。
• 太陽系の制約に適合させるために、カメレオン機構を調査する。
• 有効ポテンシャルと場の再定義技術を用いて、スカラータンジェントおよびf(R)モデルにおける特異点回避を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対性理論を用いずに、ニュートン的物理学と圧力効果を用いて、宇宙の加速をどのように理解できるか？
• RQ2 宇宙定数に伴う理論的課題、特に微調整問題と一致問題とは何か？
• RQ3 クインテッセンスやファントムなどのスカラー場モデルは、どのように動的になだれを形成し、暗黒エネルギーを模倣し、宇宙論的問題を緩和するのか？
• RQ4 f(R)重力のような修正重力理論は、局所的重力制約を満たしつつ、宇宙の加速を説明できるか？
• RQ5 f(R)およびスカラータンジェントモデルにおける曲率特異点の意味は何か？そして、それらはどのように解決できるか？

主な発見

• 一般相対性理論による厳密な正当化がなければ、ニュートン的宇宙論に反発的項を導入することで、宇宙の加速を定性的に理解できるが、その背後には一般相対性理論が必要である。
• 宇宙定数Λは、その非常に小さな値が不自然であること（微調整問題）と、現在の支配的状態が偶然に重なっていること（一致問題）という課題を抱える。
• クインテッセンスやローリングタキオンなどのスカラー場モデルは、時間的にΛに近い振る舞いに進化することができ、一致問題の解決策を提供する。
• R²補正を含むf(R)重力モデルでは、有効ポテンシャルの最小値と曲率特異点を分離でき、高密度領域における場の発散を回避できる。
• カメレオン機構により、f(R)理論は高密度環境でスカラー場を質量を持たせることで、太陽系の制約を回避できる。
• 修正が加えられても、多くのf(R)モデルは依然として未解決の特異点問題を抱えており、特に中性子星のような高密度天体においては、より現実的な状態方程式を用いたさらなる研究が求められる。