[论文解读] A late-accelerating universe with no dark energy -- and no big bang

Richard A. Brown, Roy Maartens+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本文提出了一种改进的膜世界宇宙学模型，通过在体（bulk）中引入高斯-博内特项以实现紫外修正，并结合DGP模型的红外修正，无需暗能量即可解释晚期加速。该模型避免了大爆炸奇点，宇宙从有限能量密度和压强的‘安静’曲率奇点开始，为早期和晚期宇宙演化提供了一种无需暗能量的新框架。

ABSTRACT

Brane-world models offer the possibility of explaining the late acceleration of the universe via infra-red modifications to General Relativity, rather than a dark energy field. However, one also expects ultra-violet modifications to General Relativity, when high-energy stringy effects in the early universe begin to grow. We generalize the DGP brane-world model via an ultra-violet modification, in the form of a Gauss-Bonnet term in the bulk action. The combination of infra-red and ultra-violet modifications produces an intriguing cosmology. The DGP feature of late-time acceleration without dark energy is preserved, but there is an entirely new feature -- there is no hot big bang in the early universe. The universe starts with finite density and pressure, from a "quiet" and "sudden" curvature singularity.

研究动机与目标

• 探讨引力的紫外修正是否能消除膜世界宇宙学中对大爆炸奇点的需求。
• 研究通过在体作用量中结合DGP型红外修正与高斯-博内特项，是否可在不引入暗能量场的情况下实现晚期加速。
• 构建一个在保持晚期加速的同时避免标准大爆炸初始奇点的宇宙学模型。
• 分析在红外与紫外引力修正共同作用下，宇宙的早期行为。

提出的方法

• 通过在体作用量中引入高斯-博内特项，推广DGP膜世界模型，以考虑高能弦效应带来的紫外修正。
• 通过包含高斯-博内特项积分掉体自由度，推导膜上的有效爱因斯坦方程。
• 分析修正方程的宇宙学解，研究尺度因子和能量密度的早期与晚期行为。
• 通过分析尺度因子和曲率不变量中的奇点，对初始状态的性质进行分类。
• 利用修正的弗里德曼方程，研究在无暗能量成分条件下，晚期加速发生的条件。
• 通过分析早期时刻的哈勃参数和能量密度行为，将初始奇点表征为‘安静’且‘突变’的。

实验结果

研究问题

• RQ1 在体作用量中引入高斯-博内特项，是否能消除类似DGP的膜世界模型中的初始大爆炸奇点？
• RQ2 当红外与紫外引力修正共同作用时，是否仍能实现无需暗能量场的晚期加速？
• RQ3 该修正宇宙学中初始奇点的性质是什么？与标准大爆炸奇点有何不同？
• RQ4 该模型中宇宙初始时刻的能量密度和压强行为如何？
• RQ5 该模型能否描述一个以有限能量密度和压强开始的宇宙，从而避免大爆炸中的无限条件？

主要发现

• 该模型在无需暗能量成分的情况下表现出晚期加速，保留了DGP机制的关键特征。
• 宇宙并非始于大爆炸，而是从具有有限能量密度和压强的‘安静’且‘突变’的曲率奇点开始。
• 初始奇点的特点是尺度因子和能量密度有限，但哈勃参数发散，表明膨胀以突变方式开始。
• 在体作用量中引入高斯-博内特项，成功抑制了初始大爆炸奇点，同时保持了晚期加速。
• 宇宙演化与非奇点初始状态一致，宇宙从高曲率但有限能量条件的状态中出现。
• 该模型通过以有限、曲率驱动的初始状态取代大爆炸，为标准宇宙学提供了可行的替代方案。