[论文解读] A unified cosmic evolution: Inflation to late time acceleration

Subenoy Chakraborty, Supriya Pan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文提出一个统一的宇宙学模型，其中通过不可逆热力学的粒子产生驱动宇宙演化，从暴胀到晚期加速。在二阶非平衡热力学框架下，采用与哈勃参数相关的粒子产生率，该模型得出解析解，重现了ΛCDM时期，符合普朗克观测数据，并在早期和晚期阶段表现出类霍金辐射特性，宇宙学参数显示宇宙演化过程中存在多次转变。

ABSTRACT

The present work deals with a cosmological model having particle creation mechanism in the framework of irreversible thermodynamics. In the second order non-equilibrium thermodynamical prescription, the particle creation rate is treated as the dissipative effect. The non-equilibrium thermodynamical process is assumed to be isentropic, and, as a consequence, the entropy per particle is constant, and, hence, the dissipative pressure can be expressed linearly in terms of the particle creation rate in the background of the homogeneous and isotropic flat FLRW model. By proper choice of the particle creation rate as a function of the Hubble parameter, the model shows the evolution of the universe starting from the inflationary scenario to the present accelerating phase, considering the cosmic matter as normal perfect fluid with barotropic equation of state.

研究动机与目标

• 开发一个统一的宇宙学模型，无需引入暗能量或修改引力，即可解释早期暴胀和晚期加速。
• 通过采用二阶非平衡热力学克服一阶粘性理论的局限，实现因果且稳定的演化。
• 通过将粒子产生率建模为哈勃参数的函数，推导宇宙学参数的解析解。
• 分析宇宙学参数（jerk, snap, lerk, m），并展示其在宇宙时间中的演化。
• 探讨场论等价性，表明一个最小耦合标量场可再现粒子产生模型的流体行为，且其晚期势能趋近于宇宙学常数。

提出的方法

• 构建一个空间平坦的FLRW宇宙，其中理想流体具有状态方程，并将粒子产生作为耗散过程引入。
• 应用二阶非平衡热力学（Israel-Stewart形式）以确保体粘性压强的因果性和稳定性。
• 假设等熵（单位粒子熵恒定）过程，以线性化粒子产生率Γ与体粘性压强Π之间的关系。
• 引入现象学的哈勃依赖粒子产生率Γ(H)，以描述从暴胀到晚期加速的完整宇宙演化。
• 推导出尺度因子、哈勃参数、减速参数、温度、熵和粒子数密度的解析解。
• 进行宇宙学分析，计算并绘制jerk (j)、snap (s)、lerk (l) 和 m 参数随宇宙时间的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一个依赖于哈勃参数的单一粒子产生率函数，在一致的热力学框架下统一描述从暴胀到晚期加速的宇宙演化？
• RQ2 在具有二阶粘性动力学的粒子产生模型中，宇宙学参数（jerk, snap, lerk, m）如何随宇宙时间演化？
• RQ3 该模型中温度演化的本质是什么？其在早期和晚期阶段是否表现出类霍金辐射特性？
• RQ4 在场论中，一个最小耦合标量场能否再现粒子产生模型的有效流体行为，特别是在晚期极限下？
• RQ5 该模型的解析解与观测数据相比如何，特别是与普朗克2015年结果的对比？

主要发现

• 该模型给出了尺度因子、哈勃参数和减速参数的解析解，宇宙从类似德西特的暴胀相演化至晚期加速相。
• 宇宙学参数表现出多次转变：jerk有一次转变，snap有三次转变，lerk有两次转变，m有两次转变，贯穿整个宇宙演化过程。
• 在早期宇宙中，温度满足T ∝ H^{1/2}，类似于霍金型辐射，但并非精确的霍金温度。
• 在晚期极限下，温度渐近趋近于宇宙微波背景温度（T ∝ 1/a），与观测到的宇宙微波背景一致。
• 该模型渐近趋近于ΛCDM范式，哈勃参数趋于常数，粒子产生率趋于零，与普朗克2015年观测数据相符。
• 发现一个具有自相似势能的最小耦合标量场与宇宙流体等价，且其势能在晚期极限下趋近于宇宙学常数。