[论文解读] Cosmic Acceleration from Causal Backreaction in a Smoothly Inhomogeneous Universe

B. Bochner|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2011

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 127被引用 3

一句话总结

本文提出，宇宙加速膨胀并非源于暗能量或修正引力，而是源于一个平滑非均匀宇宙中的因果反作用，其中无数束缚结构的累积效应产生了表观加速。该研究提出了拟合Ia型超新星数据的拟合模型，其效果与无暗能量的平坦ΛCDM模型相当，同时在观测范围内重现了年龄、物质密度和CMB角尺度等关键宇宙学参数。

ABSTRACT

A phenomenological formalism is presented in which the apparent acceleration of the universe is generated by large-scale structure formation, thus eliminating the coincidence and magnitude fine-tuning problems of the Cosmological Constant in the Concordance Model, as well as potential instability issues with dynamical Dark Energy. The observed acceleration results from the combined effect of innumerable local perturbations, due to individually virialized systems, overlapping together in a smoothly-inhomogeneous adjustment of the FRW metric, in a process governed by the causal flow of inhomogeneity information outward from each clumped system. We discuss several arguments from the literature claiming to place sharp limits upon the strength of backreaction-related effects, and show why such arguments are not applicable in a physically realistic cosmological analysis. A selection of simply-parameterized models are presented, including several which are capable of fitting the luminosity distance data from Type Ia supernovae essentially as well as the best-fit flat $Λ$CDM model, without resort to Dark Energy, any modification to gravity, or a local void. Simultaneously, these models can reproduce measured cosmological parameters such as the age of the universe, the matter density required for spatial flatness, the present-day deceleration parameter, and the angular scale of the Cosmic Microwave Background to within a reasonable proximity of their Concordance values. We conclude by considering potential observational signatures for distinguishing this cosmological formalism from $Λ$CDM or Dark Energy, as well as the possible long-term fate of such a universe with ever-spreading spheres of influence for its increasingly superposed perturbations.

研究动机与目标

• 通过用结构诱导的反作用取代暗能量，解决ΛCDM模型中宇宙学常数的微调问题与巧合问题。
• 证明表观宇宙加速可源自平滑非均匀时空中，束缚结构传播的非局域信息的因果传播。
• 构建拟合关键观测约束（如亮度距离、物质密度、年龄和CMB角尺度）的拟合模型，而无需引入暗能量或修正引力。
• 挑战先前认为反作用效应过弱而无法解释宇宙加速的观点，表明这些论断在真实的宇宙学情境中不适用。
• 识别可区分此因果反作用范式与ΛCDM及动力暗能量模型的观测特征。

提出的方法

• 为平滑非均匀弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）度规中的因果反作用开发拟合形式化方法，其中来自束缚系统的扰动相互重叠并以因果方式传播。
• 通过平滑的、非均匀的FRW度规修正来建模无数局部扰动的累积效应，其演化由每个团块系统向外传播的非均匀性信息的因果流动所主导。
• 引入参数化简化的模型，以模拟反作用效应，而无需完整的非线性宇宙学模拟。
• 利用Ia型超新星的亮度距离数据约束模型参数，并与平坦ΛCDM模型的性能进行比较。
• 计算观测到的jerk参数j₀^Obs，以检验模型与数据的一致性，发现其值显著高于1。
• 分析因果反作用主导下的长期宇宙命运，强调自限性、间歇性加速以及由遥远非均匀性引起的极端潮汐力。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙加速是否可完全由大尺度结构形成引起的反作用产生，而无需引入暗能量或修正引力？
• RQ2 为何先前限制反作用效应强度的论断在物理上真实的宇宙学背景下不成立？
• RQ3 基于因果反作用的拟合模型在多大程度上可重现关键宇宙学可观测量，如亮度距离、物质密度和CMB角尺度？
• RQ4 哪些观测特征可将此反作用模型与ΛCDM及动力暗能量模型区分开来？
• RQ5 以因果反作用为主导的宇宙长期演化与标准暗能量情景有何不同？

主要发现

• 因果反作用模型通过无数束缚结构的累积、重叠效应产生表观宇宙加速，从而无需引入暗能量。
• 多个参数化模型在不引入暗能量、修正引力或局部空洞的前提下，对Ia型超新星光度距离数据的拟合效果与最佳拟合的平坦ΛCDM模型相当。
• 模型在合理范围内重现了宇宙的观测年龄、实现空间平坦性所需的物质密度，以及当前的去加速参数，其值接近一致模型的数值。
• 观测到的jerk参数j₀^Obs被预测在2.5–5.5范围内（最佳运行结果为2.6–3.8），显著高于ΛCDM模型的1，且与当前数据的弱趋势一致。
• 该模型表明，由于结构形成内部动力学驱动加速，宇宙将呈现自限性、间歇性加速的结局，而非失控的“大撕裂”。
• 该模型暗示，由于长程、因果传播的非均匀性效应，束缚系统将承受极端且不对称的潮汐力，导致其宇宙演化比标准模型更为混沌。