[論文レビュー] Structured FRW universe leads to acceleration: a non-perturbative approach

Reza Mansouri|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2005

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、局所的な非一様性（FRW背景計量内に埋め込まれたLTB埋め込みパッチとしてモデル化）が、ダークエネルギーを模倣するバックレアクション効果を生成する構造的フリードマン＝ロバートソン＝ウォーカー（SFRW）宇宙モデルを提案する。薄いシェルを用いない一般相対性理論の正確な界面条件を用いて、標準的宇宙論で観測されるIa型超新星の減光を再現し、これはダークエネルギーではなく幾何学的バックレアクションによるものである。

ABSTRACT

We propose a model universe in the matter dominated phase described by a FRW background with local inhomogeneities, like our local patch, grown out of the primordial fluctuations. Our sub-horizon local patch consisting of different structures is approximated as an inhomogeneous cosmic fluid described by a LTB metric embedded in a background FRW universe, in which the observer could be located anywhere. Within the exact general relativistic formulation, the junction conditions for the only possible matching without a thin shell at the boundary, neglected so far in the literature, constrains the model in such a way that the luminosity distance-red shift relation mimics a FRW universe with dark energy. Therefore, the dimming of SNIa is accounted for in such a {\it structured} FRW universe. We have also calculated the exact general relativistic backreaction term and shown how it influences the global Hubble parameter and the effective density of the cosmic fluid By using an exact formulation of the general relativistic dynamics of structures in a homogeneous universe, the claim is therefore stressed that the backreaction of cosmological perturbations leads to an apparent dimming of the cosmological distances.

研究の動機と目的

• 精密宇宙論と観測された宇宙の非一様性との間の矛盾を解消するため、FRWの成功を保ちつつ局所的構造を組み込む現実的なモデルの開発。
• 物質支配期における非一様性が、ダークエネルギーまたは修正重力の導入なしに見かけの加速を生成できるかを調査すること。
• 一般相対性理論における界面条件を厳密に適用し、非一様なLTBパッチを均一なFRW背景に一致させることで、物理的に不自然な薄いシェルを回避すること。
• 正確なバックレアクション項を計算し、それがグローバルなハッブルパラメータおよび有効エネルギー密度に与える影響を評価すること。
• このような構造的宇宙における距離赤方偏移関係が、ダークエネルギー支配のFRWモデルとどのように類似するかを示すこと。

提案手法

• 観測者がパッチ内に任意の位置にいるとしても、局所宇宙を背景FRW計量内に埋め込まれた準視界的非一様LTB流体としてモデル化する。
• LTBパッチとFRW背景との境界で、薄いシェルを必要としない一般相対性理論の正確な界面条件を適用する。
• 各LTBパッチ内の平均密度が背景FRW密度に等しくなるように制約を課し、グローバルな整合性を保つ。
• パラメータ化された核生成時間プロファイル tₙ = t₀ − (τ/L²)r² を用いて、非一様な力学から正確なバックレアクション項 Q を導出する。
• SFRWモデルにおける中心および非中心の観測者について、距離赤方偏移関係を計算し、見かけの減光をテストする。
• アインシュタイン方程式の体積平均化を用いて、バックレアクションを有効エネルギー運動量テンソルとして解釈し、フリードマン方程式を修正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的な非一様性を有する構造的FRW宇宙が、ダークエネルギーを用いずに観測されたIa型超新星の減光を再現できるか？
• RQ2 正確な界面条件が非一様LTBパッチを均一なFRW背景に一致させる役割を果たし、物理的に不自然な薄いシェルを排除できるか？
• RQ3 バックレアクション項 Q は時間とともにどのように変化するか？また、グローバルなハッブルパラメータおよび有効密度に与える影響は？
• RQ4 構造的宇宙における距離赤方偏移関係が、ダークエネルギー支配のFRWモデルのそれとどの程度類似するか？
• RQ5 バックレアクション項が遅刻時に 1/t のように振る舞い、有効ハッブルパラメータを低減させる可能性はあるか？

主な発見

• 界面条件により、各LTBパッチが平均密度が背景FRW値に一致するように、過密度領域と低密度領域を補償的に含む必要があることが一意に決定される。
• SFRWモデルにおける距離赤方偏移関係は、ダークエネルギーを含むFRW宇宙で予測されるものと類似した減光効果を示す。
• バックレアクション項 Q は遅刻時に約 0.1/(τt) のように増大し、物質密度の 1/t² に比べて遅く減衰するため、相対的に大きな寄与を示す。
• バックレアクションによる有効エネルギー運動量テンソルは、遅刻時に密度 ∝ 1/t のように振る舞う流体として作用し、フリードマン方程式を修正しグローバルなハッブルパラメータを低下させる。
• このモデルは、局所的なハッブルパラメータの平均値がグローバルな値と異なること、および非一様構造の影響で集団的特異速度が変化することを示している。
• 分析により、観測されたSNIaの減光は、非一様性からの幾何的バックレアクションによって説明可能であり、標準一般相対性理論内でのダークエネルギーの代替案として有効であることが確認された。