[论文解读] Dark energy, gravitation and the Copernican principle

Jean–Philippe Uzan|ArXiv.org|Dec 30, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文研究了观测到的宇宙加速膨胀是否由暗能量引起，或是否源于哥白尼原理的破坏，提出我们可能位于一个大尺度低密度区域，而非宇宙学常数。文章认为，宇宙学观测可检验广义相对论和哥白尼原理等基本假设，这对理解暗能量的本质及ΛCDM模型的有效性具有重要意义。

ABSTRACT

This text aims at discussing the relations between the cosmic acceleration and the theory of gravitation and more generally with the hypotheses underlying the construction of our cosmological model, such as the validity of general relativity on astrophysical scales and the Copernican principle. We hope to illustrate that cosmological data have now the potential of testing these hypotheses, which go beyond the measurements of its parameters.

研究动机与目标

• 评估观测到的宇宙加速膨胀是否由暗能量引起，或是否源于哥白尼原理在哈勃尺度上的破坏。
• 评估哥白尼原理在构建宇宙学模型中的作用，及其在哈勃尺度上可能的失效。
• 探讨大尺度非均匀性或新物理是否可在不引入宇宙学常数的前提下解释宇宙加速膨胀。
• 研究宇宙学观测是否可用于检验广义相对论和对称性假设在宇宙学尺度上的有效性。
• 根据对基本假设的观测约束，判断ΛCDM模型是否仍具可行性，或是否需要扩展。

提出的方法

• 将ΛCDM模型作为参考宇宙学框架，假设广义相对论、宇宙学常数和哥白尼原理成立。
• 分析放弃哥白尼原理在可观测尺度上的影响，提出我们可能位于一个大尺度低密度区域。
• 考虑涉及新物理或大尺度结构非均匀性引起的反作用效应的替代解释。
• 评估宇宙学中平均化程序的作用，特别是大尺度上有效能动张量的必要性。
• 评估多重宇宙或超哈勃尺度非均匀性情景的可行性，以在更大尺度上恢复哥白尼原理。
• 提出观测检验方法，以区分暗能量与修正引力或非均匀性模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过在哈勃尺度上破坏哥白尼原理，而不引入暗能量来解释观测到的宇宙加速膨胀？
• RQ2 宇宙学观测在多大程度上可检验广义相对论在宇宙学尺度上的有效性？
• RQ3 宇宙学常数是否为基本常数，还是其微小数值是多重宇宙中选择效应的结果？
• RQ4 是否可在不引入多重宇宙的前提下，在超哈勃尺度上恢复哥白尼原理？
• RQ5 何种观测特征可区分宇宙学常数与非均匀性模型或修正引力？

主要发现

• 若我们位于一个大尺度低密度区域，则观测到的宇宙加速膨胀或无需暗能量，这挑战了哈勃尺度上的哥白尼原理。
• 宇宙学常数问题——其数值比理论预期小60个数量级——仍未解决，指向更深层的物理问题。
• 若存在所有尺度的高密度与低密度区域的统计分布，则哥白尼原理可在超哈勃尺度上得以保持。
• 对引力和对称性假说的观测检验对于判断ΛCDM模型是否正确描述宇宙至关重要。
• 若广义相对论和哥白尼原理的所有零检验均失败，则尽管ΛCDM模型具有经验上的成功，其仍可能无法被检验或改进。
• 大尺度结构引起的反作用效应作为加速来源的可能性依然成立，但需更深入的理论与观测研究。