[论文解读] Cosmological Structure Evolution and CMB Anisotropies in DGP Braneworlds

Ignacy Sawicki, Sean M. Carroll|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 16

一句话总结

本文研究了在DGP膜宇宙模型中宇宙大尺度结构演化与CMB各向异性的表现，该模型通过引入一个4维体（5D bulk）来在大尺度上修改引力。研究发现，DGP模型抑制了积分萨克斯-沃尔夫（integrated Sachs-Wolfe, ISW）效应，从而相较于ΛCDM模型，对低阶多极CMB数据的拟合有所改善；但该模型无法匹配超新星数据与最后散射面的距离，导致在平坦宇宙假设下，ΛCDM模型仍是更优的整体拟合方案。

ABSTRACT

The braneworld model of Dvali, Gabadadze and Porrati (DGP) provides an intriguing modification of gravity at large distances and late times. By embedding a three-brane in an uncompactified extra dimension with separate Einstein-Hilbert terms for both brane and bulk, the DGP model allows for an accelerating universe at late times even in the absence of an explicit vacuum energy. We examine the evolution of cosmological perturbations on large scales in this theory. At late times, perturbations enter a DGP regime in which the effective value of Newton's constant increases as the background density diminishes. This leads to a suppression of the integrated Sachs-Wolfe effect, bringing DGP gravity into slightly better agreement with WMAP data than conventional LCDM. However, we find that this is not enough to compensate for the significantly worse fit to supernova data and the distance to the last-scattering surface in the pure DGP model. LCDM is, therefore, a better fit.

研究动机与目标

• 分析DGP膜宇宙模型中大尺度宇宙扰动的演化。
• 评估DGP中修改引力对积分萨克斯-沃尔夫（ISW）效应和CMB各向异性的影响。
• 将DGP模型对WMAP CMB数据与超新星哈勃图的拟合效果，与标准ΛCDM模型进行比较。
• 确定DGP模型是否能在不引入暗能量的前提下解释宇宙加速膨胀，同时与观测数据保持一致。
• 阐明DGP引力中的有效牛顿常数，表明其随背景能量密度变化而变化，从而影响势能演化。

提出的方法

• 从包含膜与体空间独立爱因斯坦-希尔伯特项的5D作用量中，推导出膜上的有效场方程，其中包含膜张力与体空间宇宙学常数。
• 将线性微扰理论应用于罗伯逊-沃尔克背景，以研究结构增长与引力势的演化。
• 计算小扰动下的有效牛顿常数，表明其依赖于能量密度，并在低密度下增大。
• 利用修改后的CMBFAST模拟，计算CMB功率谱中ISW与SW贡献的贡献，同时考虑交叉相关性。
• 定义一个交叉相关因子R，以在DGP模型中分离出CMB功率谱中的非ISW成分。
• 利用R与ISW-ISW分量求解DGP特异的功率谱，从而实现与WMAP数据的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在DGP膜宇宙模型中，有效牛顿常数如何演化？其对结构增长有何影响？
• RQ2 与ΛCDM相比，DGP模型在多大程度上抑制了积分萨克斯-沃尔夫效应？
• RQ3 DGP模型是否比标准ΛCDM模型对低阶多极CMB各向异性数据具有更好的拟合效果？
• RQ4 DGP模型与Ia型超新星观测哈勃图的拟合程度如何？
• RQ5 DGP模型能否在不进行精细调节的前提下，同时解释宇宙加速、CMB功率谱与最后散射面的距离？

主要发现

• 由于在低密度下有效牛顿常数增大，DGP模型抑制了积分萨克斯-沃尔夫效应，从而减少了晚期引力势的衰减。
• 这种抑制使得DGP模型对WMAP观测到的低阶多极CMB各向异性数据的拟合优于ΛCDM模型。
• 尽管CMB拟合有所改善，但DGP模型预测宇宙加速的开始更为平缓，导致其对Ia型超新星哈勃数据的拟合更差。
• 当结合超新星约束时，该模型无法重现正确的最后散射面距离，与观测结果矛盾。
• 总体而言，当同时考虑CMB与超新星数据时，纯DGP模型的表现仍不如ΛCDM，尽管它在改善CMB低阶多极异常方面有所进展。