[논문 리뷰] The Cosmological Constant as a Zero Action Boundary

E. Gaztañaga|INRIA a CCSD electronic archive server|2021. 01. 15.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 우주상수 Λ가 어두운 에너지나 수정된 중력이 아니라 일반 상대성 이론의 작용에서 경계항으로서 기인한다고 제안한다. 여기서 Λ = 4πG⟨ρ + 3p⟩는 초기 원인적 수평 내 평균 에너지 밀도와 압력에 의해 고정된다. 0작용 원리로 인해 Λ가 작다는 것이 설명되며, 우주의 팽창은 허블 수평에서의 반발 경계력으로부터 기인한다. 이는 원인성의 문제와 공진 문제를 인과적으로 해결하며, CMB 비정상성과 대규모 비균일성과 같은 관측 가능 서명을 제공한다.

ABSTRACT

The cosmological constant $Λ$ is usually interpreted as Dark Energy (DE) or modified gravity (MG). Here we propose instead that $Λ$ corresponds to a boundary term in the action of classical General Relativity. The action is zero for a perfect fluid solution and this fixes $Λ$ to the average density $ρ$ and pressure $p$ inside a primordial causal boundary: $Λ= 4πG $. This explains both why the observed value of $Λ$ is related to the matter density today and also why other contributions to $Λ$, such as DE or MG, do not produce cosmic expansion. Cosmic acceleration results from the repulsive boundary force that occurs when the expansion reaches the causal horizon. This universe is similar to the $Λ$CDM universe, except on the largest observable scales, where we expect departures from homogeneity/isotropy, such as CMB anomalies and variations in cosmological parameters indicated by recent observations.

연구 동기 및 목표

• 모든 영역이 초수평 척도로 분리되어 있음에도 불구하고 인과적으로 연결되어 있는 표준 FLRW 우주론의 인과적 불일치 문제를 해결하기 위해.
• Λ가 얼마나 작은지, 그리고 오늘날의 물질 밀도와 비슷한지 설명함으로써 우주상수 문제를 해결하기 위해.
• 어두운 에너지나 수정된 중력이 아닌, 허블 수평에서의 경계력에 의한 인과적 메커니즘을 통해 우주의 팽창을 설명하기 위해.
• 관측된 CMB 비정상성과 대규모 비균일성을, 초수평 척도에서 통계적 상관관계가 없는 초기 원인적 수평의 서명으로 설명하기 위해.
• 공진 문제와 관측된 Λ의 값이 초기 원인적 수평 척도를 통해 오늘날의 관측 가능한 우주의 크기와 연결됨으로써 통합하기 위해.

제안 방법

• 일반 상대성 이론에 최소 작용 원리를 적용하여, 시공간이 초기 원인적 수평으로 둘러싸여 있을 경우 온셸프 작용 S^on-shell 가 0이 된다는 것을 보여준다.
• 0작용 원리로부터 유도된 경계 조건 Λ = 4πG⟨ρ + 3p⟩를 도출하며, 여기서 ⟨ρ + 3p⟩는 초기 원인적 패치 내 평균 에너지-운동량 밀도이다.
• 초기 원인적 수평 χ_Σ (인플레이션에서 기인)를 Λ를 고정하는 물리적 경계로 식별하며, 진공 에너지나 새로운 물리학이 아니라 이를 통해 Λ가 결정됨을 밝힌다.
• 공동 운동 입자 수평 χ_0 ≈ χ_Σ를 사용하여 관측된 Λ가 오늘날의 물질 밀도와 유사한 이유를 설명함으로써 공진 문제를 해결한다.
• 우주를 인과적으로 분리된 수평들의 집합으로 모델링하며, 각각이 독립적으로 진화하고, 연속성 조건이 경계를 넘어서 작은 변동을 유지하도록 한다.
• CMB 각도 상관 함수 w(θ)를 분석하여, χ_Σ를 초월한 패치들 사이에 인과적 연결이 없기 때문에 θ ≳ 60°에서 상관관계가 없음을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 우주상수 값이 왜 이렇게 작고, 오늘날의 물질 밀도와 유사한가?
• RQ2 어두운 에너지나 수정된 중력을 도입하지 않고도 우주의 팽창을 설명할 수 있는가?
• RQ3 저항성 4차 모멘트와 초수평 척도에서의 상관관계 부재와 같은 관측된 대규모 CMB 비정상성의 원인은 무엇인가?
• RQ4 영역들이 인과적으로 분리되어 있을 경우, 균일하고 등방성인 우주에서 인과적 구조가 어떻게 일관되게 유지될 수 있는가?
• RQ5 왜 오늘날의 관측 가능한 우주의 크기가 인플레이션에서 기인한 초기 원인적 수평 척도와 약간 일치하는가?

주요 결과

• 일반 상대성 이론의 온셸프 작용이 초기 원인적 수평으로 둘러싸여 있을 경우 0이 되며, 이는 기본적인 제약 조건으로서의 0작용 원리를 이끈다.
• 우주상수는 초기 원인적 패치 내 평균 에너지 밀도와 압력 측정값을 바탕으로 하는 경계 조건 Λ = 4πG⟨ρ + 3p⟩에 의해 결정된다.
• 우주의 팽창은 진공 에너지나 어두운 에너지가 아니라 허블 수평에서의 반발 경계력으로 인해 발생하며, 이는 다른 Λ 기여항이 팽창을 일으키지 않는 이유를 설명한다.
• 관측된 Λ ≈ 2.3ρ_m 값은 관측 가능한 우주의 공동 운동 크기 χ_0가 약간은 초기 원인적 수평 척도 χ_Σ와 일치한다는 공진 현상으로 설명된다.
• 초수평 척도를 초월한 패치들 사이에 인과적 연결이 없기 때문에, θ ≳ 60°에서 CMB 온도 상관 함수 w(θ)에 통계적 상관관계가 없음을 예측한다.
• 다양한 적색이동 또는 하늘 영역에서의 우주론적 파rameter 간의 관측적 긴장은 인과적으로 분리된 초기 수평들 사이의 비균일성에서 기인할 수 있으며, CMB 천구 변화에서 이러한 수평의 증거가 발견되었다 (Fosalba & Gaztañaga, 2020).