[논문 리뷰] Einstein equation and Hawking radiation govern Universe evolution

She-Sheng Xue|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 07.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 아인슈타인 방정식과 호킹 복사가 함께 작용하여 우주의 진화를 지배한다고 제안한다. 이는 우주상수 에너지 밀도(ρ_Λ)를 연속적인 페르미온과 반페르미온 쌍 생성을 통해 물질 생성과 연결함으로써 이루어진다. 인플레이션 기간 동안 ρ_Λ가 감소함에 따라 물질 생성이 유도되며, 쌍 생성률이 허블률을 초월할 때까지 지속되다가 자연스럽게 인플레이션 종료가 발생한다. 이 메커니즘은 플랑크 2018 데이터와 일치하며, 복사-물질 전이 기간 동안 ρ_Λ가 복사 밀도에 따라 추적됨으로써 우주의 공진 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Suppose that the early Universe starts with a quantum spacetime originated cosmological $\Lambda$-term at the Planck scale $M_{ m pl}$. The cosmological energy density $ ho_{_{_\Lambda}}$ drives inflation and simultaneously reduces its value to create the matter-energy density $ ho_{_{_M}}$ via the continuous pair productions of massive fermions and antifermions. The decreasing $ ho_{_{_\Lambda}}$ and increasing $ ho_{_{_M}}$, in turn, slows down the inflation to its end when the pair production rate $\Gamma_M$ is larger than the Hubble rate $H$. The density $ ho_{_{_\Lambda}}$ and Hubble rate $H$ are uniquely determined by two independent equations from the Einstein equation and energy conservation law, in addition, the $ ho_{_{_M}}$ is determined by pair productions. As a result, inflation naturally appears and theoretical results agree to Planck 2018 observations. Suppose that the reheating efficiently converts $ ho_{_{_\Lambda}}$ to $ ho_{_{_M}}\gg ho_{_{_\Lambda}}$ accounting for the most relevant Universe mass, and some massive pairs decay to relativistic particles of energy density $ ho_{_{_R}}$ starting the hot Big Bang. The back reaction $ ho_{_{_M}}\leftrightarrow H\leftrightarrow ho_{_{_\Lambda}}$ is weak but continues. As a consequence, $ ho_{_\Lambda}$ closely tracks down $ ho_{_R}$ from the reheating end up to the radiation-matter equilibrium, then it varies very slowly, $ ho_{_\Lambda}\propto$ constant, due to the transition from radiation dominate to matter dominate epoch. Therefore the cosmic coincidence problem can be possibly avoided.

연구 동기 및 목표

• 양자 시공간과 쌍 생성을 이용하여 초기 우주의 인플레이션과 물질 생성의 기원을 설명하기.
• 재결합 이후 복사-물질 평형까지 ρ_Λ가 ρ_R를 따라잡는 방식으로 우주의 공진 문제를 해결하기.
• 아인슈타인 방정식과 에너지 보존 법칙을 통해 ρ_Λ, ρ_M, H의 진화를 통합적으로 기술하기.
• 초기 우주의 진화를 위한 역동적이고 자기 일관된 모델을 통해 플랑크 2018 관측 결과와의 일치를 입증하기.

제안 방법

• 초기 우주를 플랑크 규모에서의 초기 우주상수 에너지 밀도 ρ_Λ를 가진 양자 시공간으로 모델링하기.
• 아인슈타인 방정식과 에너지 보존 법칙을 사용하여 시간에 따른 ρ_Λ와 H를 유일하게 결정하기.
• 질량이 있는 페르미온과 반페르미온의 연속적인 쌍 생성을 도입하여 ρ_Λ에서 물질 에너지 밀도 ρ_M를 생성하기.
• 쌍 생성률 Γ_M가 허블률 H를 초월할 때를 인플레이션 종료 시점으로 정의하기.
• 역작용 역학을 적용하여 복사 지배 시기 동안 ρ_Λ가 ρ_R를 밀접하게 따라잡는다는 것을 보여주기.
• 복사 지배에서 물질 지배로의 전이 기간 동안 ρ_Λ ≈ 일정함을 보여주어 우주의 공진 문제를 피하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주상수 에너지 밀도 ρ_Λ는 어떻게 쌍 생성을 통해 동시에 인플레이션을 유도하고 물질을 생성하는가?
• RQ2 이 양자 시공간 프레임워크에서 인플레이션의 종료 조건은 무엇인가?
• RQ3 ρ_M, H, ρ_Λ 간의 역작용은 복사-물질 전이 기간 동안 ρ_Λ의 진화에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 에너지 밀도가 감소하는 동안에도 왜 ρ_Λ는 물질 지배 시기 동안 약간의 변화 없이 유지되는가?
• RQ5 이 모델은 정밀 조정 없이도 자연스럽게 우주의 공진 문제를 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 쌍 생성률 Γ_M가 허블률 H를 초월할 때 인플레이션은 자연스럽게 종료되며, 이는 지수적 팽창에서 물질 지배 진화로의 물리적 전이를 의미한다.
• 이 모델의 이론적 예측은 플랑크 2018 관측 결과와 일치하여 물리적 프레임워크의 타당성을 입증한다.
• 물질 에너지 밀도 ρ_M는 질량이 있는 페르미온과 반페르미온의 연속적인 쌍 생성을 통해 ρ_Λ에서 동적으로 생성된다.
• 재결합 이후, ρ_Λ는 재결합 종료부터 복사-물질 평형에 이르기까지 ρ_R를 밀접하게 따라잡으며, 이 시기 동안 ρ_Λ ≈ 일정하다는 것을 의미한다.
• 우주의 공진 문제는 ρ_Λ가 복사 지배에서 물질 지배로의 전이 기간 동안 ρ_R를 따라잡고 있기 때문에 잠재적으로 해결된다.
• ρ_Λ, H, ρ_M 간의 상호작용은 아인슈타인 방정식과 에너지 보존 법칙에서 유도된 두 개의 독립된 방정식에 의해 지배되며, 이는 진화의 일관성과 유일성을 보장한다.