[论文解读] Late-time cosmology of scalar-tensor theory with a universal coupling between the scalar field and the matter Lagrangian

O. Minazzoli, Aurélien Hees|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文研究了标量-张量理论中标量场与物质拉格朗日量之间普遍耦合的情况，表明此类理论会修改宇宙学中的距离-光度关系。该研究识别出满足太阳系约束条件、并与基本常数变化及光度距离观测一致的可行模型。

ABSTRACT

We investigate the late-time cosmological behaviour of scalar-tensor theories with a universal multiplicative coupling between the scalar field and the matter Lagrangian in the matter era. This class of theory encompasses the case of the massless string dilaton (see Damour and Polyakov, General Relativity and Gravitation, 26, 1171) as well as a theory with an intrinsic decoupling mechanism in the solar system (see Minazzoli and Hees, Phys. Rev. D 88, 041504). The cosmological evolution is studied in the General Relativity limit justified by solar system constraints on the gravitation theory. The behaviour of these cosmological evolutions are then compared to two types of observations: the constraints on temporal variations of the constants of Nature and the distance-luminosity measurements. In particular, the non-minimal coupling implies that the distance-luminosity relation is modified compared to General Relativity. Theories producing a cosmological behaviour in agreement with these observations are identified.

研究动机与目标

• 分析标量-张量理论在晚期宇宙中的行为，其特征为标量场与物质拉格朗日量之间存在普遍乘法耦合。
• 通过在广义相对论极限下运行，确保与太阳系约束的一致性。
• 将宇宙学预测与基本常数时间变化的观测数据进行对比。
• 评估与广义相对论相比，该理论对距离-光度关系的修改。
• 识别出同时满足太阳系约束和宇宙学观测的可行理论。

提出的方法

• 为标量-张量理论构建形式化框架，其特征为标量场与物质拉格朗日量之间存在普遍耦合，推广了无质量弦标量场和解耦机制模型。
• 在弱场、慢速运动极限下分析该理论，以确保与太阳系测试的兼容性，从而在局部有效还原为广义相对论。
• 利用具有普遍耦合的行动式导出的修正场方程，推导物质主导时期的宇宙学演化。
• 在该框架下重新计算距离-光度关系，显示其与标准广义相对论预测存在偏差。
• 应用来自基本常数变化（例如精细结构常数）和Ia型超新星光度距离的观测约束，以限制模型参数。
• 扫描参数空间，以识别同时满足太阳系约束和宇宙学观测的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量场与物质拉格朗日量之间的普遍耦合如何改变物质主导时期的宇宙学演化？
• RQ2 与广义相对论相比，这种耦合在距离-光度关系中引发何种修改？
• RQ3 此类标量-张量理论中的哪些模型仍与引力的太阳系约束保持一致？
• RQ4 此类理论在多大程度上可解释观测到的基本常数时间变化？
• RQ5 能否识别出同时满足光度距离测量和基本常数变化约束的可行模型？

主要发现

• 普遍耦合导致距离-光度关系发生修改，偏离标准广义相对论预测。
• 该理论允许一种解耦机制，可抑制太阳系中的第五种力效应，从而确保与本地引力测试的一致性。
• 具有此类耦合的模型可重现对基本常数（如精细结构常数）时间变化的观测约束。
• 当耦合强度适当前提下，这些模型的宇宙学演化与Ia型超新星的光度距离数据保持一致。
• 识别出一个满足太阳系约束和宇宙学观测的可行模型子集，表明该理论在晚期宇宙学中的潜力。
• 普遍耦合的引入在高密度环境中引入了一种新的屏蔽标量场效应机制，从而保持与本地测试的一致性。