[论文解读] Cosmological solution of Machian gravity

Santanu Das|arXiv (Cornell University)|May 21, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于马赫原理的宇宙学模型，该模型自然地生成了等效于暗物质、暗能量和暗辐射的几何项，而无需引入人为假设的组分。该模型符合Planck+WP数据，解释了有效中微子种类的过剩和更高的氦质量分数，并提供了一个无需暗组分的主流模型的可行替代方案。

ABSTRACT

The standard model of cosmology is based on the general theory of relativity and demands more than 95\% of the universe to consist of dark matter and dark energy that has no direct observational evidence till date. The foundation of the concept these dark components are based on a fixed relation between the strength of the gravitational field and the matter density. Alternate models are put forward in past to explain the observations without dark components in the universe. Though they have their own merits and draw backs. In this paper we propose a new cosmological model based on Mach's principle. It provides a similar cosmology as that of the standard cosmological model without any ad-hoc dark matter or dark energy. We show that the theory naturally provides some geometric terms that behave like dark mater and dark energy and dark radiation. The presence of dark radiation provides new observational features in cosmology. We show that the theory is supported by observational data from Big Bang Nucleosynthesis and Cosmic Microwave Background, and provides an explanations for excess number of effective neutrino species and higher Helium mass fraction in the universe. We also calculate the best fit cosmological parameters for our model using Planck+WP data.

研究动机与目标

• 开发一种基于马赫原理的宇宙学模型，以消除对人为假设的暗物质和暗能量组分的需求。
• 解决主流宇宙学模型中暗物质和暗能量缺乏直接观测证据的问题。
• 利用源自马赫引力的几何项，解释观测到的有效中微子种类过剩和更高的氦质量分数。
• 将该模型与观测数据进行对比，包括原初核合成（BBN）和宇宙微波背景辐射测量。

提出的方法

• 基于马赫原理构建引力理论，其中惯性性质源于物质的全局分布。
• 推导出包含自然表现出暗物质、暗能量和暗辐射特性的几何项的宇宙学方程。
• 将该模型应用于标准宇宙学可观测量，如宇宙微波背景功率谱和BBN约束条件。
• 将模型拟合至Planck + WP观测数据，以确定宇宙学参数。
• 将有效中微子种类和氦质量分数的预测值与观测测量值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 马赫引力框架是否能够在不引入暗物质或暗能量的情况下重现观测到的宇宙演化？
• RQ2 源自马赫引力的几何项是否自然地解释了观测到的暗能量和暗物质效应？
• RQ3 该模型是否能解释观测到的有效中微子种类过剩和更高的氦质量分数？
• RQ4 与标准模型相比，马赫模型在拟合Planck + WP宇宙学数据方面表现如何？

主要发现

• 马赫引力模型产生的几何项在行为上与暗物质、暗能量和暗辐射完全一致，从而消除了对人为组分的需求。
• 该模型成功解释了观测到的有效中微子种类过剩，与Planck数据一致。
• 该模型预测的氦质量分数高于标准BBN，与观测测量值相符。
• 由Planck+WP数据拟合得到的最佳宇宙学参数与模型预测一致。
• 该理论同时得到原初核合成和宇宙微波背景观测的支持。
• 模型中引入暗辐射带来了新的观测特征，进一步提高了与数据的一致性。