[논문 리뷰] Dark Energy, Anthropic Selection Effects, Entropy and Life

Chas A. Egan|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 05.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 학위논문은 어둠의 에너지와 물질 밀도가 오늘날 유사한 비율을 이루는 이유인 간극 문제를 시간적 선택 효과로 모델링함으로써 이를 다룬다: 지구형 행성의 연령 분포에 따라 ΩΛ ≈ Ωm일 때 관측자가 더 많이 나타날 가능성이 높기 때문이다. 타당한 가정 하에 이 균형을 관측할 확률이 68%임을 발견하여, 천체물리적 미세조정이 아닌 인류학적 선택을 통한 해결책을 제시한다.

ABSTRACT

According to the standard LCDM model, the matter and dark energy densities (rho_m and rho_DE) are only comparable for a brief time. We address the cosmic coincidence problem under LCDM and generalized dark energy models by considering the temporal distribution of terrestrial planets. We compare the Sun to representative stellar samples in 11 properties plausibly related to life. We find the Sun to be most anomalous in mass and galactic orbital eccentricity. When the 11 properties are considered together, the observed "anomalies" are consistent with statistical noise. This contrasts with previous work suggesting anthropic explanations for the Sun's high mass. The long-term future of dissipative processes (such as life) depends on the continued ability to use free energy to increase the total entropy. The entropy budget of the present observable Universe is dominated by supermassive black holes in galactic cores. We report a new entropy budget of the Universe with quantified uncertainties for all components. We find the total entropy in the observable Universe to be S_{obs} = 3.1^{+3.0}_{-1.7} x 10^{104} k, at least an order of magnitude higher than previous estimates due to improved measurements of the mass function of supermassive black holes (which dominate the budget). We evaluate upper bounds on the entropy of a comoving volume. Under the assumption that energy in matter is constant in a comoving volume, the availability of free energy is found to be finite and the future entropy in the volume is limited to a constant of order 10^{123} k. Through this work we uncover a number of unresolved questions with implications for the ultimate fate of the Universe.

연구 동기 및 목표

• 현재 어둠의 에너지 밀도와 물질 밀도가 거의 동일한 이유인 간극 문제를 시간적 선택 효과로 간주함으로써 해결하고자 한다.
• 관측된 어둠의 에너지와 물질의 균형이 물리적 미세조정이 아닌 관측자 편향의 결과인지 평가하고자 한다.
• 지구형 행성 형성 및 관측자 발생 시간의 분포를 바탕으로 ΩΛ ≈ Ωm를 관측할 확률을 정량화하고자 한다.
• 엔트로피, 블랙홀 형성, 자유 에너지가 생명을 가능하게 하고 우주의 열역학적 진화를 어떻게 이끌어내는지 분석하고자 한다.
• 관측 제약 조건을 바탕으로 동적 어둠의 에너지 모델을 평가하고, 간극 문제를 해결할 수 있는지 분석하고자 한다.

제안 방법

• 우주론적 시뮬레이션과 행성 냉각 시간을 사용하여 지구형 행성의 연령 분포를 모델링하고, 관측자가 언제 발생할 수 있는지 추정한다.
• 관측자 발생률과 진공 에너지 밀도 및 물질 에너지 밀도의 유사도를 통합하여 시간에 따른 ΩΛ ≈ Ωm를 관측할 확률을 계산한다.
• 시간적 선택 측정법을 적용: 현재 시점에서 관측 가능성이 높은 것은 지구형 행성에서 새로운 관측자가 형성되는 속도에 비례한다.
• 어둠의 에너지 진화를 모델링하기 위해 우주론적 파rameter(예: w₀ = -1.0, wa = -0.4)를 사용하고 진공-물질 밀도 유사도 요소를 계산한다.
• 동적 어둠의 에너지 모델(쿼인티세스, 패런, k-에센스, 채플린 기체)을 분석하고 현재 관측자료(SNe Ia, CMB, BAO, 연령)와 비교한다.
• 바리온, 광자, 중성미자, 중력파 입자, 암흑물질, 블랙홀(초구질 블랙홀 및 항성 블랙홀 포함)의 기여를 합산하여 우주의 총 엔트로피를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 오늘날 어둠의 에너지 밀도가 물질 밀도와 유사한가, 이는 통계적으로 의미 있는가?
• RQ2 관측된 간극 현상이 가까운 가능성이 있는 적합한 행성의 시간적 분포에 기반한 인류학적 선택에 의해 어느 정도 발생하는가?
• RQ3 현재 관측 제약 조건 하에서 동적 어둠의 에너지 모델(예: 쿼인티세스, 패런)은 어떻게 평가되며, 간극 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ4 현재와 미래의 우주의 총 엔트로피는 얼마이며, 생명 가능성과 자유 에너지 가용성과 어떤 관련이 있는가?
• RQ5 열역학 원리—특히 자유 에너지와 엔트로피 생성—는 팽창하는 우주에서 생명의 발생과 지속 가능성을 어떻게 규제하는가?

주요 결과

• 관측자가 지구형 행성 형성 후 고정된 지연 시간(Δtobs ≈ 4 Gyr) 이후에 발생한다고 가정할 경우, ΩΛ ≈ Ωm를 관측할 확률은 약 68%이다.
• 관측자 발생의 시간 분포를 고려할 경우 간극은 통계적으로 놀라운 일이 아니며, 이는 미세조정 문제가 아니라 선택 효과임을 시사한다.
• 쿼인티세스와 k-에센스와 같은 동적 어둠의 에너지 모델은 현재 관측 제약(SNe Ia, CMB, BAO, 연령)과 일치하지만, 인류학적 가정 없이선 간극 문제를 유일하게 해결하지 못한다.
• 관측 가능한 우주의 총 엔트로피는 우주 마이크파온복사(CMB) 광자에 의해 지배되며, 모든 바리온 물질이 3K 복사로 변환될 경우 약 1% 기여한다.
• 초구질 블랙홀은 엔트로피 예산에 상당한 기여를 하며, 항성 블랙홀과 바리온 물질의 엔트로피를 합친 것보다 높다.
• 우주의 최대 가능한 엔트로피는 Bekenstein 및 공변 엔트로피 한계에 의해 제한되며, 더 이상 자유 에너지를 추출할 수 없을 경우 열죽음으로 끝날 수 있다.