[论文解读] Astronomical tests for brane universes and the dark energy on the brane

Mariusz P. Da̧browski, Włodzimierz Godłowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2002

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 1

一句话总结

本文将膜宇宙学模型与天文观测进行对比，表明带有暗能量（p < -ρ）的膜模型可在无需宇宙学常数的情况下拟合超新星数据，预测高红移星系更明亮，与观测结果一致（例如，z=1.7 超新星），且由于暗辐射和膜张力的存在，显著改变角大小最小值和宇宙年龄。在 z > 0.6 时，这些模型与 ΛCDM 模型可区分。

ABSTRACT

We discuss astronomical tests (redshift-magnitude relation, angular size minimum, age of the universe) for brane cosmologies with various types of matter sources on the brane. Apart from dust $p = 0$, we impose ``sub-negative'' pressure matter $- \\varrho &lt; p &lt; 0$ (cosmic strings, domain walls) and ``super-negative'' pressure matter $p &lt; - \\varrho$ (dark energy) on the brane. We show that in the case of dust matter on the brane, the difference between the best-fit general relativistic model with a $\\Lambda$-term %\\cite{Perlmutter99} and the best-fit brane models becomes detectable for redshifts $z &gt; 0.6$. It is interesting that brane models predict brighter galaxies for such redshifts which is in agreement with the measurement of the $z = 1.7$ supernova %\\cite{Riess01} and with the New Data from the High Z Supernovae Search Team. %\\cite{schmit02}. We demonstrate that the fit to supernovae data can also be obtained if we admit super-negative dark energy on the brane without $\\Lambda$-term. We prove that the minimum of the angular size of galaxies is very sensitive to the amount of both dark radiation and brane tension which are unique characteristics of brane models. Despite ordinary radiation which increases the minimum, the negative values of dark radiation and brane tension can decrease it. The minimum disappears for some large negative contribution of dark radiation and brane tension. Finally, we show that the age of the universe can increase significantly for all models with dark energy on the brane.

研究动机与目标

• 评估包含不同物质源（尘埃、宇宙弦、域壁和暗能量）的膜宇宙学模型在观测数据下的可行性。
• 确定膜模型是否可在不引入宇宙学常数（Λ）的情况下重现超新星距离模数据。
• 研究暗辐射和膜张力如何影响遥远天体角大小最小值。
• 评估在膜世界情景中，暗能量对宇宙年龄的影响。

提出的方法

• 分析膜模型中尘埃、次负压强（p ∈ (-ρ, 0)）和超负压强（p < -ρ）物质的红移-星等关系（距离模）。
• 应用角直径距离关系，计算包含暗辐射和膜张力贡献的星系最小角大小。
• 比较膜模型中预测的宇宙年龄与标准 ΛCDM 模型，使用受膜效应修正的弗里德曼方程。
• 利用高红移超新星（例如，Riess et al. 2001，High Z Supernovae Search Team）的观测数据约束模型参数。
• 评估角大小最小值对暗辐射和膜张力负值的敏感性。
• 求解膜上的修正弗里德曼方程，推导宇宙演化并对比标准广义相对论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 膜上存在暗能量的膜宇宙学是否可在无需 Λ 项的情况下重现观测到的超新星距离模？
• RQ2 在膜模型中，暗辐射和膜张力的存在如何影响遥远星系的最小角大小？
• RQ3 膜模型中存在暗能量时，宇宙的预测年龄是多少？与 ΛCDM 模型相比如何？
• RQ4 在红移-星等关系中，膜模型与 ΛCDM 模型的偏差在何种红移下可被探测到？
• RQ5 负的暗辐射和膜张力能否完全消除角大小最小值？

主要发现

• 膜上存在暗能量（p < -ρ）的膜模型可在无需宇宙学常数的情况下，与 ΛCDM 模型一样良好地拟合高红移超新星数据。
• 对于 z > 0.6，膜上存在尘埃的膜模型预测的星系比 ΛCDM 模型更明亮，与观测到的 z = 1.7 超新星数据一致。
• 角大小最小值对暗辐射和膜张力均高度敏感，负值可减小最小值，甚至可能完全消除它。
• 当暗辐射和膜张力以较大负值贡献时，角大小最小值会消失。
• 所有膜模型中，若膜上存在暗能量，宇宙年龄会显著增加，远超标准模型。
• 膜上存在超负压强物质（暗能量）的模型为解释超新星光度距离数据提供了 ΛCDM 的可行替代方案。