[논문 리뷰] A unified cosmic evolution: Inflation to late time acceleration

Subenoy Chakraborty, Supriya Pan외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 18.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비가역 열역학을 통한 입자 생성이 인플레이션에서 저온 가속까지의 우주 진화를 이끄는 통합된 천체역학 모델을 제안한다. 2차 비평형 열역학 내에서 허블 매개변수에 의존하는 입자 생성률을 사용함으로써, 이 모델은 ΛCDM 시대를 재현하고 플랑크 관측 데이터와 일치하며, 초기 및 후기 단계에서 화이트홀 유사 방사성 방출을 나타낸다. 우주지표 매개변수들은 우주의 시간에 따라 다중 전이를 보인다.

ABSTRACT

The present work deals with a cosmological model having particle creation mechanism in the framework of irreversible thermodynamics. In the second order non-equilibrium thermodynamical prescription, the particle creation rate is treated as the dissipative effect. The non-equilibrium thermodynamical process is assumed to be isentropic, and, as a consequence, the entropy per particle is constant, and, hence, the dissipative pressure can be expressed linearly in terms of the particle creation rate in the background of the homogeneous and isotropic flat FLRW model. By proper choice of the particle creation rate as a function of the Hubble parameter, the model shows the evolution of the universe starting from the inflationary scenario to the present accelerating phase, considering the cosmic matter as normal perfect fluid with barotropic equation of state.

연구 동기 및 목표

• 어두운 에너지나 중력 이론 수정 없이 초기 인플레이션과 저온 가속을 동시에 설명할 수 있는 통합된 천체역학 모델을 개발하기 위해.
• 1차 점성 이론의 한계를 해결하기 위해 인과적이고 안정적인 진화를 보장하기 위해 2차 비평형 열역학을 활용하여 제시된 것이다.
• 허블 매개변수의 함수로 입자 생성률을 모델링하여 우주 매개변수의 해석적 해를 유도하기 위해.
• 우주지표 매개변수(jerk, snap, lerk, m)의 진화를 분석하고, 이들이 우주의 시간에 따라 어떻게 변화하는지 보여주기 위해.
• 장 이론적 등가성을 탐색하여, 최소로 결합된 스칼라 장이 유체 거동을 재현할 수 있으며, 특히 저온 한계에서 우주 상수에 수렴함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 기하학적으로 평탄한 FLRW 우주를 설정하고, 바로트로프 상태 방정식을 가진 완벽한 유체를 고려하며, 입자 생성을 소산 과정으로 포함시킨다.
• 인과적이고 안정적인 부피 점성 압력의 진화를 보장하기 위해 이소라-스타우어 형식의 2차 비평형 열역학을 적용한다.
• 입자 생성률 Γ와 부피 점성 압력 Π 사이의 관계를 선형화하기 위해 등엔트로피(입자당 일정한 엔트로피) 과정을 가정한다.
• 우주의 전체 진화를 인플레이션에서 저온 가속까지 기술하기 위해 현상학적 허블에 의존하는 입자 생성률 Γ(H)를 도입한다.
• 스케일 인자, 허블 매개변수, 감속 매개변수, 온도, 엔트로피, 수밀도에 대한 해석적 해를 유도한다.
• 우주지표 분석을 수행하여 우주의 시간 함수로 제트(j), 스냅(s), 레르크(l), m 매개변수를 계산하고 도식화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허블 매개변수의 단일 입자 생성률 함수가 일관된 열역학 프레임워크 내에서 인플레이션에서 저온 가속까지의 우주의 진화를 통합적으로 설명할 수 있는가?
• RQ2 2차 점성 역학을 가진 입자 생성 모델에서 우주지표 매개변수(jerk, snap, lerk, m)는 우주의 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이 모델에서 온도의 진화는 어떤 성격을 가지며, 초기 및 후기 단계에서 화이트홀 유사 방사성 방출을 나타내는가?
• RQ4 장 이론에서 최소로 결합된 스칼라 장이 입자 생성 모델의 효과적 유체 거동을 재현할 수 있는가, 특히 저온 한계에서 어떻게 되는가?
• RQ5 이 모델의 해석적 해는 관측 데이터, 특히 플랑크 2015 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 스케일 인자, 허블 매개변수, 감속 매개변수에 대한 모델의 해석적 해를 도출하였으며, 우주는 디Sitter 유사 인플레이션 단계에서 저온 가속 단계로 진화한다.
• 우주지표 매개변수들은 다중 전이를 보인다: 제트는 한 번, 스냅은 세 번, 레르크는 두 번, m는 두 번의 전이가 우주의 진화 동안 발생한다.
• 초기 우주에서는 온도가 T ∝ H^{1/2}로 스케일되며, 화이트홀 유사 방사성과 유사하지만 정확한 화이트홀 온도는 아니다.
• 저온 한계에서 온도는 CMB 온도에 점점 수렴하며(T ∝ 1/a) 관측된 간섭계 우주 마이크로파 배경과 일치한다.
• 모델은 점점 ΛCDM 체계에 수렴하며, 허블 매개변수가 일정해지고 입자 생성률이 사라지며, 플랑크 2015 관측 데이터와 일치한다.
• 자기 유사 잠재 에너지가 있는 최소로 결합된 스칼라 장은 유체와 등가이며, 저온 한계에서 우주 상수에 수렴한다.