[论文解读] Accelerating cosmological expansion from shear viscosity

Stefan Floerchinger, N. Tetradis+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文提出，暗能量区的剪切黏度可对宇宙流体动力学产生反作用效应，改变平均场的时间演化，并可能驱动宇宙膨胀的观测加速。该机制源于速度扰动中的能量耗散，当黏度足够大时，会表现出类似暗能量的有效行为。

ABSTRACT

The dissipation of energy from local velocity perturbations in the cosmological fluid affects the time evolution of spatially averaged fluid dynamic fields and the cosmological solution of Einstein's field equations. We show how this backreaction effect depends on shear and bulk viscosity and other material properties of the dark sector, as well as the spectrum of perturbations. If sufficiently large, this effect could account for the acceleration of the cosmological expansion.

研究动机与目标

• 研究宇宙流体中的黏度如何影响爱因斯坦场方程的平均动力学。
• 确定暗能量区中的剪切黏度与体积黏度是否能产生足够强的反作用效应以解释宇宙加速。
• 分析该效应对于流体中速度扰动谱及暗能量区物质特性的依赖关系。
• 评估黏度驱动的反作用效应是否可作为宇宙观测到的加速膨胀的替代解释。

提出的方法

• 该研究在有效应力-能量张量中引入剪切黏度与体积黏度项，采用宇宙流体动力学方法。
• 对流体动力学方程进行空间平均，推导在黏性耗散下平均场的时间演化。
• 通过将爱因斯坦场方程与黏性流体模型耦合，推导修改后的宇宙学解。
• 研究反作用效应对于扰动谱及剪切黏度与体积黏度相对贡献的依赖性。
• 框架中引入非平衡热力学，以模拟局部速度扰动引起的能量耗散。
• 通过比较有效状态方程，评估模型与观测宇宙膨胀的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量区的剪切黏度是否能产生足够强的反作用效应以驱动宇宙加速？
• RQ2 剪切黏度与体积黏度各自如何影响平均宇宙场的时间演化？
• RQ3 反作用效应对于流体中速度扰动谱的依赖关系如何？
• RQ4 在何种条件下，黏性耗散会导致有效负压，从而模仿暗能量？
• RQ5 该黏性反作用机制是否能在不引入新场的情况下重现观测到的晚期宇宙加速？

主要发现

• 剪切黏度对反作用效应有贡献，从而改变宇宙流体的有效动力学。
• 反作用效应对速度扰动谱及暗能量区物质特性极为敏感。
• 若黏度足够大，有效状态方程可变为负值，从而模仿暗能量行为。
• 该机制为宇宙加速提供了一种无需引入新基本场的潜在替代解释。
• 模型表明，局部速度扰动的能量耗散可通过非微扰平均效应导致净加速。
• 结果表明，黏性反作用可能无需引入宇宙学常数或标量场（quintessence）即可解释观测到的膨胀速率。