[论文解读] Accelerated expansion without dark energy

Dominik J. Schwarz|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 35

一句话总结

本文提出，宇宙加速膨胀可源于冷暗物质（CDM）在大尺度结构形成过程中因耗散性、反摩擦过程而产生的负体积压强，从而无需引入暗能量。研究表明，具有有效反摩擦力的非理想流体CDM模型可与标准ΛCDM模型一样拟合超新星、宇宙微波背景（CMB）和大尺度结构数据，表明单一暗组分具有与尺度相关的有效状态方程。

ABSTRACT

The fact that the LambdaCDM model fits the observations does not necessarily imply the physical existence of `dark energy'. Dropping the assumption that cold dark matter (CDM) is a perfect fluid opens the possibility to fit the data without dark energy. For imperfect CDM, negative bulk pressure is favoured by thermodynamical arguments and might drive the cosmic acceleration. The coincidence between the onset of accelerated expansion and the epoch of structure formation at large scales might suggest that the two phenomena are linked. A specific example is considered in which effective (anti-frictional) forces, which may be due to dissipative processes during the formation of inhomogeneities, give rise to accelerated expansion of a CDM universe.

研究动机与目标

• 探究若不假设冷暗物质（CDM）为理想流体，是否可无需引入暗能量解释宇宙加速膨胀。
• 探讨大尺度结构形成过程中的耗散性过程是否可产生有效反摩擦力，从而驱动加速膨胀。
• 检验单一CDM组分（具有非零体积压强）是否能重现ΛCDM模型的观测成功。
• 通过将加速的开始与结构形成时期关联，解决宇宙巧合问题。

提出的方法

• 将CDM建模为具有动态压强Π ≠ 0的非理想流体，其中P = p + Π，且对CDM有p ≈ 0。
• 利用热力学论证表明，在膨胀宇宙中，第二定律要求Π ≤ 0（负体积压强）。
• 在牛顿极限下引入有效反摩擦力F ≈ −B(m,t)m v，其中B < 0表示负压强。
• 推导出动态压强为P ≈ (B/H)ρ，表明负B可导致负P。
• 采用量纲分析假设B(t₀) = −νH₀，其中ν ≈ O(1)，以建模摩擦系数的时间演化。
• 测试B(z)的三种不同函数形式，发现其中一种（B(z) = −ν(H₀/H)H₀）可使模型在动力学上等价于ΛCDM模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 若CDM并非理想流体，是否可无需引入暗能量解释宇宙加速膨胀？
• RQ2 CDM中负体积压强的物理解释是什么？其是否满足热力学一致性？
• RQ3 由结构形成动力学产生的有效反摩擦力是否可重现观测到的宇宙膨胀历史？
• RQ4 在此模型中，加速开始与大尺度结构形成之间的巧合是否具有因果解释？
• RQ5 CDM的时变与尺度依赖的有效状态方程会在宇宙学数据上留下何种观测特征？

主要发现

• 在膨胀宇宙中，CDM的负体积压强（Π ≤ 0）由热力学第二定律所要求。
• 具有B < 0的有效反摩擦力可产生负动态压强P ≈ (B/H)ρ，从而驱动加速膨胀。
• 特定假设B(z) = −ν(H₀/H)H₀（ν ≈ O(1)）可产生在动力学上等价于ΛCDM模型的理论，其对超新星、CMB和大尺度结构数据的拟合效果与ΛCDM模型相当。
• 该模型通过将加速与结构形成时期关联，自然解释了宇宙巧合问题。
• 观测特征包括CDM的时变与尺度依赖的有效状态方程，其在大尺度（CMB）上P/ρ ≈ −0.7，在星系团尺度上P/ρ ≈ −0.2。