[論文レビュー] Future and Origin of our Universe: Modern View

Alexei A. Starobinsky|ArXiv.org|Dec 2, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、正の、おそらく変化する宇宙定数（Λ）の影響を受ける宇宙の長期的進化と起源を検討する。スタロビンスキーは、Λが閉じた宇宙ですら永遠の膨張を引き起こす仕組みを分析し、近接物体に対して赤方偏移の傾きが逆転するような観測可能な効果を予測する。また、量子重力的再収縮によって超高密度・高対称状態へと戻るという、予想外の未来のシナリオ（再びデ de Sitter 的な初期状態へ）を議論する。主な貢献は、宇宙の起源を、超高密度状態からの量子重力的遷移として提示することであり、『何もなしに創出』のシナリオに意味を持つ。

ABSTRACT

The existence of a positive and possibly varying Lambda-term opens a much wider field of possibilities for the future of our Universe than it was usually thought before. Definite predictions may be made for finite (though very large) intervals of time only, as well as in other branches of science. In particular, our Universe will continue to expand as far as the Lambda-term remains positive and does not decay to other forms of matter, even if the Universe is closed. Two new effects due to the presence of a constant Lambda-term are discussed: reversal of a sign of the redshift change with time for sufficiently close objects and inaccessibility of sufficiently distant objects in the Universe for us. A number of more distant and speculative possibilities for the future evolution of the Universe is listed including hitting a space-time singularity during an expansion phase. Finally, in fantastically remote future, a part of our Universe surrounding us can become supercurved and superdense due to various quantum-gravitational effects. This returns us to the past, to the origin of our Universe from a superdense state about 14 Gy ago. According to the inflationary scenario, this state was almost maximally symmetric (de Sitter-like). Though this scenario seems to be sufficient for the explanation of observable properties of the present Universe, and its predictions have been confirmed by observations, the question of the origin of the initial de Sitter (inflationary) state itself remains open. A number of conjectures regarding the very origin of our Universe, ranging from "creation from nothing" to "creation from anything", are discussed.

研究の動機と目的

• 正のかつおそらく変化する宇宙定数（Λ）を仮定したもとでの宇宙の長期的未来を検討すること。
• Λが閉じた宇宙ですら宇宙膨張の力学に与える影響を調査すること。
• 定数のΛがもたらす観測可能な結果、特に近接物体の赤方偏移の進化に生じる変化を分析すること。
• 空間時間的特異点や量子重力的再収縮を含む、予想外の未来のシナリオを検討すること。
• 初期宇宙におけるデ de Sitter 的（インフレーション的）状態の起源という未解決の問いに取り組むこと。

提案手法

• 一般相対性理論における宇宙定数を含む解析的解を用いて、宇宙の長期的進化をモデル化する。
• 赤方偏移の時間微分（dz/dt）を検討し、十分に近い対象に対してその符号が反転する条件を同定する。
• Λが存在する下での時空の因果的構造を検討し、加速膨張によって特定の距離を超える領域が原則的に我々からアクセス不能になることを明らかにする。
• 量子重力的効果を用いて、我々を取り巻く局所的領域が超曲率・超高密度状態へと再収縮する可能性をモデル化する。
• インフレーション的シナリオをフレームワークとして用い、初期宇宙におけるほぼ最大対称性（デ de Sitter 的状態）を記述する。
• 『何もなしに創出』や『何らかのものから創出』といった、初期量子状態の起源としての仮説的モデルを議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正の宇宙定数は、閉じた宇宙の長期的運命にどのような影響を及ぼすか。特に、膨張と因果的構造の観点から検討する。
• RQ2 定数のΛによって生じる観測可能な痕跡は何か。特に、近接銀河の赤方偏移の進化に現れる変化を含む。
• RQ3 量子重力的効果が、局所的領域を超高密度・高対称状態へと再収縮させ、結果として宇宙が初期のデ de Sitter 段階へと帰還する可能性はあるか。
• RQ4 インフレーションモデルが現在の観測を説明できるにもかかわらず、初期のデ de Sitter 的状態がどのように形成されたのか、そのメカニズムは何か。
• RQ5 『何もなしに創出』や『何らかのものから創出』の概念が、宇宙の根源的起源に与える意味は何か。

主な発見

• 正の宇宙定数は、Λが崩壊しない限り、閉じた幾何構造であっても宇宙の永遠の膨張を保証する。
• 十分に近い対象に対して、赤方偏移の時間変化（dz/dt）は、定数のΛの影響により符号を反転させることができ、これは新しい観測可能な効果である。
• 加速膨張のため、ある距離を超える領域は因果的に我々から分離され、原則的にアクセス不能になる。
• 極めて遠い未来において、量子重力的効果が我々を取り巻く局所的領域を、超曲率・超高密度状態へと変容させ、初期のデ de Sitter 段階に類似した状態へと戻す可能性がある。
• インフレーションが要求する初期のデ de Sitter 的状態は、現在の観測と整合的であるが、その起源は未だ説明されておらず、量子重力と宇宙創生論の深いつながりを示唆する。
• この論文は、宇宙が量子重力的遷移によって出現した可能性を示唆しており、『何もなしに創出』は、いくつかの仮説的だが妥当なシナリオの一つである。