[논문 리뷰] Cosmological Surprises from Braneworld models of Dark Energy

Varun Sahni|arXiv (Cornell University)|2005. 02. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 어둠의 에너지의 브레인월드 모델을 탐구하여, 일시적인 우주 팽창을 유도할 수 있고, $w \leq -1$ 행동을 통해 빅리프를 피하며, 곡률 장항이 발산하는 동안 밀도와 허블 파am이 유한한 조용한 특이점이 가능하다는 것을 보여준다. 또한 브레인월드 모델은 고적색도($z \sim 6$에서 $40$)에서 유보 상태를 이룰 수 있어 우주의 연령을 증가시키고, $10^9 M_\odot$ 블랙홀과 인구 III 항성과 같은 초기 구조 형성의 가능성을 LCDM 예측을 초월하여 증가시킨다.

ABSTRACT

Properties of Braneworld models of dark energy are reviewed. Braneworld models admit the following interesting possibilities: (i) The effective equation of state can be w < -1 as well as w > -1. In the former case the expansion of the universe is well behaved at all times and the universe does not run into a future `Big Rip' singularity which is usually encountered by Phantom models. (ii) For a class of Braneworld models the acceleration of the universe can be a transient phenomenon. In this case the current acceleration of the universe is sandwiched between two matter dominated epochs. Such a braneworld does not have a horizon in contrast to LCDM and most Quintessence models. (iii) For a specific set of parameter values the universe can either originate from, or end its existence in a Quiescent singularity, at which the density, pressure and Hubble parameter remain finite, while the deceleration parameter and all invariants of the Riemann tensor diverge to infinity within a finite interval of cosmic time. (iv) Braneworld models of dark energy can loiter at high redshifts: $6 \lleq z \lleq 40$. The Hubble parameter decreasesduring the loitering epoch relative to its value in LCDM. As a result the age of the universe at loitering dramatically increases and this is expected to boost the formation of high redshift gravitationally bound systems such as $10^9 M_\odot$ black holes at $z \sim 6$ and lower-mass black holes and/or Population III stars at $z > 10$, whose existence could be problematic within the LCDM scenario. (v) Braneworld models with a time-like extra dimension bounce at early times thereby avoiding the initial `Big Bang singularity'. (vi) Both Inflation and Dark Energy can be successfully unified within a single scheme (Quintessential Inflation).

연구 동기 및 목표

• 고차원 시공간에서의 브레인월드 모델이 우주 상수를 도입하지 않고도 저시기 우주 가속을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 브레인월드 시나리오가 우주 상수의 정밀조정 문제와 우주 일치 문제를 해결할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 브레인월드 모델이 단일 스칼라 장 프레임워크 내에서 초기 팽창과 저시기 어둠의 에너지를 통합할 수 있는지 검토하기 위해.
• 브레인월드 모델이 초기 빅뱅 특이점을 피하고 순환 또는 반동 우주론을 지지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 브레인월드 역학이 초기 구조 형성에 미치는 영향, 특히 고적색도 블랙홀과 인구 III 항성의 출현에 대해 분석하기 위해.

제안 방법

• 논문은 랜드all–수드롬 II 모델을 사용하여 브레인에서 수정된 프리드만 방정식을 유도하며, 어둠의 방사($C/a^4$)와 와이울 텐서 투영 등의 빌드 효과를 포함한다.
• 브레인의 임베딩에 따라 $w \leq -1$ (환상적 유사)와 $w \geq -1$ (쿼린티세스처럼)가 모두 가능한 효과적인 상태방정식 $w = p/\rho$ 를 분석한다.
• 에너지 조건에 따라 스케일 인자 $a(t)$ 의 행동을 분석하고, 가속이 일시적인지 또는 조용한 특이점으로 이르는지의 조건을 식별한다.
• 공간적으로 평탄한 브레인월드에서의 유보 행동을 조사하며, 고적색도($z \sim 6$에서 $40$)에서 허블 파am이 감소하여 그 시점에서의 우주의 연령이 증가한다.
• 시간적 추가 차원이 있는 반동 브레인월드를 모델링하여, 높은 에너지 밀도($\rho = 2|\sigma|$)에서 $H^2 \to 0$ 가 되어 초기 특이점을 피함을 보여준다.
• 단일 스칼라 장이 초기 팽창과 저시기 어둠의 에너지를 모두 이끄는 통합 프레임워크를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브레인월드 모델은 물질 우세가 다시 나타나는 저시기에서 일시적인 우주 가속 단계를 생성할 수 있는가?
• RQ2 브레인월드 모델에서 효과적인 상태방정식 $w \leq -1$ 의 우주론적 결과는 무엇이며, 특히 미래의 특이점에 대해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 브레인월드 모델은 초기 빅뱅 특이점을 피하고 반동 메커니즘을 통해 순환 우주를 지지할 수 있는가?
• RQ4 브레인월드 모델에서의 유보 행동—특히 고적색도에서 허블 파am이 억제되는 것—은 초기 고적색도 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 브레인월드 모델에서 단일 스칼라 장이 동시에 팽창과 어둠의 에너지를 이끌 수 있는가? 즉, 초기와 저시기의 우주 가속을 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 브레인월드 모델에서 $w \leq -1$ 이면 빅리프 특이점을 피할 수 있어, 환상적 유사 어둠의 에너지가 존재하더라도 안정적이고 특이점이 없는 미래 진화가 가능하다.
• 현재의 우주 가속은 일시적일 수 있으며, 저시기에서 물질 우세가 복귀할 수 있고, 이러한 모델은 우주 시야를 갖지 않는다.
• 허블 파am, 에너지 밀도, 압력이 모두 유한한 조건에서, 탈속도 계수와 리만 텐서 불변량이 발산하는 조용한 특이점이 발생할 수 있다.
• 브레인월드 모델은 고적색도($6 \lesssim z \lesssim 40$)에서 유보 상태를 이룰 수 있어, LCDM 대비 허블 파am이 감소하고 그 시점의 우주의 연령이 증가한다.
• 이러한 유보는 고적색도에서 중력적으로 결합된 천체, 즉 $z \sim 6$ 에서 $10^9 M_\odot$ 블랙홀과 $z > 10$ 에서 인구 III 항성의 형성을 강화한다. 이러한 천체는 LCDM에서는 형성하기 어려운 경우가 많다.
• 시간적 추가 차원이 있는 브레인월드는 초기에 반동할 수 있으며, 에너지 조건이 만족되더라도 일반적으로 초기 빅뱅 특이점을 피할 수 있어 순환 우주론적 모델을 가능하게 한다.