[论文解读] Can quintessence and phantom cause the late time acceleration of the Universe

Alvina Burgazli, Maxim Eingorn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2013

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文研究了在由非均匀结构和具有负常数状态方程参数 ω 的理想流体主导的晚期宇宙中，标量扰动的行为。研究发现，只有 ω = −1/3 的流体——例如受挫的宇宙弦网络——与标量扰动理论相容，因为它能在平坦、开放和闭合宇宙中实现物理上合理的解，同时屏蔽引力势。

ABSTRACT

In this paper, we consider the Universe at the late stage of its evolution and deep inside the cell of uniformity. At these scales, the Universe is filled with inhomogeneously distributed discrete structures (galaxies, groups and clusters of galaxies). Supposing that the Universe contains also the cosmological constant and a perfect fluid with a negative constant equation of state (EoS) parameter $\omega$ (e.g., quintessence, phantom or frustrated network of topological defects), we investigate scalar perturbations of the FRW metrics due to inhomogeneities. Our analysis shows that, to be compatible with the theory of scalar perturbations, this perfect fluid, first, should be clustered and, second, should have the equation of state parameter $\omega=-1/3$. In particular, this value corresponds to the frustrated network of cosmic strings. Therefore, the frustrated network of domain walls with $\omega =-2/3$ is ruled out. A perfect fluid with $\omega =-1/3$ neither accelerates nor decelerates the Universe. We also obtain the equation for the nonrelativistic gravitational potential created by a system of inhomogeneities. Due to the perfect fluid with $\omega = -1/3$, the physically reasonable solutions take place for flat, open and closed Universes. This perfect fluid is concentrated around the inhomogeneities and results in screening of the gravitational potential.

研究动机与目标

• 评估具有负常数状态方程参数 ω 和宇宙学常数的理想流体，在晚期宇宙中与标量扰动理论的相容性。
• 确定 quintessence、phantom 或受挫拓扑缺陷是否能在非均匀宇宙模型中一致地解释晚期加速膨胀。
• 确定特定的状态方程参数 ω，使得在存在非均匀性时，引力势的解具有物理合理性。
• 分析流体在星系和星系团等离散结构周围的时空分布及其对引力势的屏蔽效应。

提出的方法

• 将晚期宇宙建模为包含非均匀离散结构（星系、星系团）和具有常数 ω 的理想流体的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）度规。
• 对 FRW 度规应用线性标量扰动理论，研究由非均匀性引起的引力势涨落。
• 推导由非均匀性系统（包括理想流体贡献）产生的非相对论性引力势方程。
• 对扰动施加物理一致性条件，以约束允许的 ω 值，要求流体具有聚集性且解稳定。
• 分析平坦、开放和闭合空间几何下的解，以评估结果的普适性。
• 利用流体必须聚集且扰动方程必须产生物理上有意义的解这一条件，推导出必需的 ω = −1/3。

实验结果

研究问题

• RQ1 在晚期非均匀宇宙中，哪些状态方程参数 ω 的取值与标量扰动理论相容？
• RQ2 具有 ω = −1（宇宙学常数）或 ω < −1（phantom）的理想流体能否与非均匀性和标量扰动一致共存？
• RQ3 具有 ω = −1/3 的流体是否能在不同空间曲率下产生物理上合理的引力势解？
• RQ4 流体在非均匀性周围对引力势的屏蔽作用是什么？
• RQ5 为何尽管具有负状态方程参数，受挫的壁态结构网络（ω = −2/3）仍被排除？

主要发现

• 只有状态方程参数 ω = −1/3 的理想流体，才能与在非均匀性存在下的标量扰动理论相容。
• 流体必须具有聚集性，才能获得物理上合理的解，这排除了非聚集或均匀分布的流体。
• ω = −1/3 的流体既不会加速也不会减速宇宙的整体膨胀，但能对引力势产生屏蔽效应。
• 当 ω = −1/3 时，引力势的解在平坦、开放和闭合宇宙中均保持物理有效性。
• 受挫的宇宙弦网络（ω = −1/3）是此类流体的可行候选者，而壁态结构（ω = −2/3）则被排除。
• 流体在非均匀性周围聚集，并降低有效引力势，表明存在一种屏蔽机制。