[论文解读] Backreaction as an alternative to dark energy and modified gravity

Syksy Räsänen|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 58被引用 9

一句话总结

本文提出，通常归因于暗能量或修正引力的宇宙加速膨胀，可能实际上源于非均匀宇宙学中的反冲效应，即非线性结构形成改变了平均膨胀速率。利用Buchert形式体系，研究表明，由于非均匀性，体积平均膨胀速率可出现加速，无需引入新物理即可重现约100亿年的观测时标，以及距离与膨胀速率预测之间的两倍差异。

ABSTRACT

The predictions of homogeneous and isotropic cosmological models with ordinary matter and gravity are off by a factor of two in the late universe. One possible explanation is the known breakdown of homogeneity and isotropy due to the formation of non-linear structures. We review how inhomogeneities affect the average expansion rate and can lead to acceleration, and consider a semi-realistic model where the observed timescale of ten billion years emerges from structure formation. We also discuss the relation between the average expansion rate and observed quantities.

研究动机与目标

• 探究通常归因于暗能量或修正引力的观测宇宙加速，是否可由非均匀时空中的反冲效应所取代。
• 评估由于非线性结构形成导致的晚期同构性与各向同性破缺，是否可解释观测到的距离与膨胀速率预测之间的两倍差异。
• 通过非线性结构形成的半现实模型，检验反冲是否能产生与观测一致的有效加速。
• 通过角直径距离与膨胀速率之间的关系，区分反冲效应与标准ΛCDM或FRW模型。

提出的方法

• 应用Buchert形式体系，推导具有非线性结构的非均匀空间、尘埃主导宇宙中的平均运动方程。
• 利用Buchert形式体系的等效爱因斯坦方程，建模平均膨胀速率及其演化，包含反冲项。
• 构建一个半现实的结构形成模型，估算有效加速开始的时间尺度，与观测到的约100亿年相匹配。
• 分析平均膨胀速率 $ H(z) $ 与角直径距离 $ D_A(z) $ 之间的关系，表明由于非均匀性，其结果与FRW预测不同。
• 将反冲效应与标准 $\Lambda$CDM 和 FRW 模型进行比较，重点关注光线传播与距离-红移关系如何被改变。
• 评估广义相对论中非牛顿效应的作用，认为在牛顿宇宙学中反冲可忽略，但在完整广义相对论中则显著。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的宇宙加速是否可由非均匀结构形成的反冲效应解释，而非暗能量？
• RQ2 反冲在平均膨胀速率上产生显著效应的时间尺度是多少？是否与观测到的约100亿年相匹配？
• RQ3 反冲模型中角直径距离与膨胀速率之间的关系与标准FRW模型有何不同？
• RQ4 是否可通过非均匀性解释观测到的距离与膨胀速率差异（两倍），而无需引入新物理？
• RQ5 非牛顿引力在宇宙结构形成中如何使显著的反冲效应成为可能？

主要发现

• 在无奇异物质的尘埃主导宇宙中，非均匀宇宙学中的反冲效应仍可导致平均膨胀速率的有效加速。
• 半现实的结构形成模型重现了观测到的有效加速起始时间尺度，约为100亿年。
• 由于非均匀性，反冲模型中的平均膨胀速率偏离FRW预测，尤其体现在 $ H(z) $ 与 $ D_A(z) $ 之间的关系上，这是独特的特征。
• 在反冲模型中，观测到的光度距离因 $ H(z) $ 与 $ \rho + p $ 的共同作用而偏向 $\Lambda$CDM 预测，可能解释观测到的状态方程 $ w \approx -1 $。
• 在牛顿宇宙学中反冲效应可忽略，但在完整广义相对论中，由于非牛顿引力效应，其效应变得显著。
• FRW一致性条件在 $ D_A(z) $ 与 $ H(z) $ 之间被破坏，为区分反冲效应与暗能量或修正引力模型提供了独特的观测检验手段。