[论文解读] Closed and open FRW cosmologies with matter creation: Kinematic tests

J. S. Alcaniz, J. A. S. Lima|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 1999

Cosmology and Gravitation Theories被引用 9

一句话总结

本文研究了具有绝热物质生成的闭合与开放弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙学模型，作为暗能量的替代方案。推导了光度距离和回溯时间等运动学观测量的精确表达式，表明仅靠物质生成即可驱动当今的加速膨胀，而无需引入宇宙学常数或标量场（quintessence），且与1990年代末期的超新星观测数据一致。

ABSTRACT

The limits imposed by the classical cosmological tests on closed and open FRW universes driven by adiabatic matter creation are investigated. Exact expressions for the lookback time, age of the universe, luminosity distance, angular diameter, and galaxy number counts versus redshift are derived and their meaning discussed in detail. An interesting consequence of these cosmological models is the possibility of an accelerated expansion today (as indicated from supernovae observations) with no need to invoke either a cosmological constant or an exotic "quintessence" component.

研究动机与目标

• 检验FRW模型中的物质生成是否能解释宇宙观测到的加速膨胀。
• 推导关键宇宙学观测量（如光度距离、角直径距离和星系数目计数）的精确解析表达式。
• 通过经典宇宙学检验测试具有物质生成的开宇宙与闭宇宙FRW模型的可行性。
• 评估此类模型是否能在不引入暗能量的前提下重现显示晚期加速的超新星观测结果。
• 探讨物质生成对非平几何时宇宙年龄和回溯时间的影响。

提出的方法

• 推导了在绝热物质生成假设下、恒定生成率参数的FRW模型中尺度因子的精确解析解。
• 将运动学观测量（包括光度距离、角直径距离和回溯时间）表示为红移的函数。
• 应用标准宇宙学检验方法，如星系数目计数和宇宙年龄，以约束模型参数。
• 使用A&A期刊的格式宏，以标准天体物理语境呈现结果。
• 将模型预测与观测数据进行比较，特别是1990年代末期的超新星光度距离数据。
• 评估在物质生成条件下，开几何与闭几何中哈勃参数和减速参数的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在开宇宙与闭宇宙FRW模型中，物质生成能否产生观测到的宇宙晚期加速？
• RQ2 在具有物质生成的FRW模型中，运动学观测量（光度距离、角直径距离和星系数目计数）如何表现？
• RQ3 在这些物质生成模型中，宇宙年龄和回溯时间有何影响？
• RQ4 这些模型能否在不引入宇宙学常数或标量场的前提下重现超新星数据？
• RQ5 当物质持续生成时，空间曲率（开与闭）如何影响动力学行为？

主要发现

• 具有绝热物质生成的模型可在不引入宇宙学常数或奇异暗能量组分的情况下，产生当今的加速膨胀。
• 推导出光度距离和回溯时间的精确表达式，并表明其与1990年代末期的超新星观测数据一致。
• 这些模型中宇宙的年龄与观测约束相容，具体取决于物质生成速率。
• 星系数目计数和角直径距离表现出与标准ΛCDM模型不同的红移依赖性，提供了可检验的差异。
• 由于物质生成，减速参数可从正值过渡到负值（表明加速），即使在无暗能量的情况下亦可实现。
• 无论空间几何为开或闭，这些模型均保持可行性，物质生成速率作为关键动力学参数发挥作用。