[论文解读] Accelerating Cosmologies with an Anisotropic Equation of State: Vector Fields, Modified Gravity and Astrophysical Constraints

Tomi Koivisto, David F. Mota|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文研究了在Bianchi I框架下，由具有各向异性状态方程的场驱动的各向异性宇宙学模型，使用偏度参数量化压强各向异性。研究发现，CMB四极矩约束对各向异性有严格限制，但依然存在可规避这些限制的可行模型，可能解释大尺度CMB异常；线性微扰分析表明，这些模型与洛伦兹对称性破缺理论及星系形成存在关联。

ABSTRACT

We investigate cosmologies where the accelerated expansion of the Universe is driven by a field with an anisotropic equation of state. We model such scenarios within the Bianchi I framework, introducing two skewness parameters to quantify the deviation of pressure from isotropy. We study the dynamics of the background expansion in these models. A special case of anisotropic cosmological constant is analyzed in detail. The anisotropic expansion is then confronted with the redshift and angular distribution of the supernovae type Ia. In addition, we investigate the effects on the cosmic microwave background (CMB) anisotropies for which the main signature appears to be a quadrupole contribution. We find that the two skewness parameters can be very well constrained. Tightest bounds are imposed by the CMB quadrupole, but there are anisotropic models which avoid this bound completely. Within these bounds, the anisotropy can be beneficial as a potential explanation of various anomalous cosmological observations, especially in the CMB at the largest angles. We also consider the dynamics of linear perturbations in these models. The covariant approach is used to derive the general evolution equations for cosmological perturbations taking into account imperfect sources in an anisotropic background. The implications for the galaxy formation are then studied. These results might help to make contact between the observed anomalies in CMB and large scale structure and fundamental theories exhibiting Lorentz violation.

研究动机与目标

• 利用Bianchi I度规框架，建立由具有各向异性状态方程的场驱动的加速宇宙膨胀的模型。
• 通过两个偏度参数量化压强各向异性，并分析其对背景膨胀的动力学影响。
• 利用观测数据（特别是Ia型超新星的红移和角分布，以及CMB各向异性）检验这些模型。
• 研究各向异性微扰对星系形成的影响，并探讨其与洛伦兹对称性破缺基本理论的潜在联系。

提出的方法

• 在具有各向异性压强的场作用下，基于Bianchi I时空构建背景动力学，引入两个偏度参数。
• 采用协变方法，推导各向异性背景中具有非理想流体的线性宇宙学微扰的演化方程。
• 利用Ia型超新星的红移和角分布数据约束模型参数。
• 分析各向异性在CMB各向异性中的印记，特别是四极矩，作为关键的观测特征。
• 评估各向异性模型在解释大角度CMB异常方面的可行性，同时与当前观测数据保持一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 各向异性状态方程如何影响Bianchi I宇宙学中的背景膨胀动力学？
• RQ2 Ia型超新星在红移和角分布方面的数据能在多大程度上约束各向异性模型？
• RQ3 各向异性在宇宙微波背景中的特征是什么，特别是在四极矩方面？
• RQ4 各向异性宇宙学模型是否能在不引入新物理的前提下解释观测到的大角度CMB异常？
• RQ5 线性微扰在各向异性背景中如何演化？其对星系形成及洛伦兹对称性破缺有何启示？

主要发现

• CMB四极矩为量化状态方程中各向异性的两个偏度参数提供了最严格的约束。
• 尽管CMB约束强烈，仍存在可完全规避四极矩约束的可行各向异性模型。
• 各向异性模型可能解释大尺度CMB异常，特别是最大尺度上的功率抑制现象。
• 协变形式成功推导出各向异性背景中非理想流体的线性微扰演化方程。
• 微扰的动力学暗示了CMB和大尺度结构中的观测异常可能与洛伦兹对称性破缺的基本理论存在关联。
• 状态方程中的各向异性可能影响星系形成过程，为这些模型的观测检验提供了可行路径。