[논문 리뷰] Astronomical tests for brane universes and the dark energy on the brane

Mariusz P. Da̧browski, Włodzimierz Godłowski외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 12. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 천문 관측 결과와 비교하여 브레인 우주론 모델을 시험하며, 어두운 에너지(p < -ρ)를 가진 브레인 모델은 우주상수(Λ)가 없더라도 초신성 관측 데이터에 잘 맞으며, 관측 결과와 일치하는 고적색변위(z=1.7 초신성 등)에서 더 밝은 고적색변위 갈axy를 예측하고, 어두운 복사와 브레인 장력으로 인해 천체의 천정 크기 최소값과 우주의 연령이 크게 변화한다. 이러한 모델들은 z > 0.6에서 ΛCDM와 구별 가능해진다.

ABSTRACT

We discuss astronomical tests (redshift-magnitude relation, angular size minimum, age of the universe) for brane cosmologies with various types of matter sources on the brane. Apart from dust $p = 0$, we impose ``sub-negative'' pressure matter $- \\varrho &lt; p &lt; 0$ (cosmic strings, domain walls) and ``super-negative'' pressure matter $p &lt; - \\varrho$ (dark energy) on the brane. We show that in the case of dust matter on the brane, the difference between the best-fit general relativistic model with a $\\Lambda$-term %\\cite{Perlmutter99} and the best-fit brane models becomes detectable for redshifts $z &gt; 0.6$. It is interesting that brane models predict brighter galaxies for such redshifts which is in agreement with the measurement of the $z = 1.7$ supernova %\\cite{Riess01} and with the New Data from the High Z Supernovae Search Team. %\\cite{schmit02}. We demonstrate that the fit to supernovae data can also be obtained if we admit super-negative dark energy on the brane without $\\Lambda$-term. We prove that the minimum of the angular size of galaxies is very sensitive to the amount of both dark radiation and brane tension which are unique characteristics of brane models. Despite ordinary radiation which increases the minimum, the negative values of dark radiation and brane tension can decrease it. The minimum disappears for some large negative contribution of dark radiation and brane tension. Finally, we show that the age of the universe can increase significantly for all models with dark energy on the brane.

연구 동기 및 목표

• 다양한 물질 구성 요소—-dust, 우주 끈, 도메인 월, 어두운 에너지—를 가진 브레인 우주론 모델의 관측 데이터에 대한 타당성을 평가하기 위해.
• 브레인 모델이 우주상수(Λ)를 요구하지 않고도 초신성 거리 모듈러스 데이터를 재현할 수 있는지 확인하기 위해.
• 어두운 복사와 브레인 장력이 먼 천체의 천정 크기 최소값에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 브레인 월 시나리오에서 어두운 에너지가 우주의 연령에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 먼지, 부정압력(p ∈ (-ρ, 0)) 및 초음압력(p < -ρ)을 가진 브레인 모델의 적색변위-등급 관계(거리 모듈러스)를 분석한다.
• 어둠의 복사와 브레인 장력의 기여를 포함하여 천체의 최소 천정 크기를 계산하기 위해 천정 거리 거리 관계를 적용한다.
• 브레인 효과로 수정된 프리드만 방정식을 사용하여 브레인 모델에서의 우주의 예측 연령을 표준 ΛCDM와 비교한다.
• 고적색변위 초신성 관측 데이터(Riess 등 2001, High Z Supernovae Search Team 등)를 사용하여 모델 매개변수를 제약한다.
• 어둠의 복사와 브레인 장력의 음수 값이 천정 크기 최소값에 미치는 민감도를 평가한다.
• 브레인에서 수정된 프리드만 방정식을 해석하여 우주 진화를 유도하고 일반 상대성 이론 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브레인에서 어두운 에너지를 가진 브레인 우주론 모델이 Λ항 없이 관측된 초신성 거리 모듈러스를 재현할 수 있는가?
• RQ2 어둠의 복사와 브레인 장력의 존재가 브레인 모델에서 먼 갈axy의 최소 천정 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어두운 에너지를 가진 브레인 모델에서의 우주의 예측 연령는 무엇이며, ΛCDM와 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 적색변위-등급 관계에서 브레인 모델과 ΛCDM 간의 편차가 어느 적색변위에서 감지 가능해지는가?
• RQ5 음수인 어둠의 복사와 브레인 장력이 천정 크기 최소값을 완전히 제거할 수 있는가?

주요 결과

• 브레인에서 어두운 에너지(p < -ρ)를 가진 모델은 Λ항이 없더라도 ΛCDM 모델과 동일한 수준으로 고적색변위 초신성 데이터에 잘 맞는다.
• z > 0.6에서 브레인 모델이 먼 갈axy를 ΛCDM보다 더 밝게 예측하며, 이는 관측된 z = 1.7 초신성 데이터와 일치한다.
• 천정 크기 최소값은 어둠의 복사와 브레인 장력 양쪽에 매우 민감하며, 음수 값일수록 최소값을 감소시키고 심지어 완전히 제거할 수 있다.
• 어둠의 복사와 브레인 장력의 큰 음수 기여가 있을 경우 천정 크기 최소값이 사라진다.
• 어두운 에너지를 가진 모든 브레인 모델에서 표준 모델 대비 우주의 연령이 크게 증가한다.
• 브레인에서 초음압력 물질(어두운 에너지)을 가진 모델은 초신성 빛의 거리 데이터를 설명하는 데 있어 ΛCDM의 타당한 대안을 제공한다.