[论文解读] Dark energy, inflation and dark matter from modified F(R) gravity

Shin’ichi Nojiri, Sergei D. Odintsov|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 11

一句话总结

本文提出，通过引入标量自由度和卡门机制，修正的F(R)引力可以在单一框架内统一描述宇宙暴胀、暗能量和暗物质，同时满足局域引力测试并重现观测到的宇宙膨胀历史。研究证明，在F(R)-引力中可重构任意宇宙膨胀历史，且可行模型可避免物质不稳定性并符合观测约束。

ABSTRACT

We review modified $F(R)$ gravity as realistic candidate to describe the observable universe expansion history. We show that recent cosmic acceleration, radiation/matter-dominated epoch and inflation could be realized in the framework of $F(R)$-gravity in the unified way. For some viable classes of $F(R)$-gravity, the Newton law is respected and there is no so-called matter instability (the very heavy positive mass for additional scalar degree of freedom is generated). The reconstruction program in modified gravity is also reviewed and it is demonstrated that {\it any} time-evolution of the universe expansion could be realized in $F(R)$-gravity. These models remain to be realistic also in the presence of non-minimal gravitational coupling with usual matter. It is shown that same model which passes local tests and predicts the unification of inflation with cosmic acceleration also describes dark matter thanks to presence of additional scalar degree of freedom and chameleon mechanism.

研究动机与目标

• 探索修正的F(R)引力是否能在单一理论框架内统一描述宇宙暴胀、暗能量和暗物质。
• 解决在保持宇宙学可行性的同时满足局域引力测试的挑战。
• 证明通过重构技术，F(R)-引力中可实现宇宙膨胀的任意时间演化。
• 表明可行的F(R)模型可避免物质不稳定性并保持牛顿势。
• 确立同一模型在解释宇宙加速膨胀和暴胀的同时，也通过卡门机制和额外标量自由度解释暗物质效应。

提出的方法

• 使用F(R)引力形式化推导统一描述早期和晚期宇宙膨胀的场方程。
• 应用重构程序，生成与任意预定膨胀历史H(t)匹配的F(R)函数。
• 引入F(R)引力与标准物质场之间的非最小耦合。
• 实施卡门机制以抑制高密度环境中的第五种力相互作用，确保与局域引力测试的兼容性。
• 分析标量自由度的质量，表明其在致密区域变得极重，从而避免物质不稳定性。
• 使用爱因斯坦框架变换分析理论的物理行为与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 F(R)引力是否能在单一理论框架内同时解释宇宙暴胀、暗能量和暗物质？
• RQ2 如何使F(R)引力与局域引力测试（如牛顿势和无第五种力）相容？
• RQ3 F(R)函数需满足何种条件，才能避免因重标量模式导致的物质不稳定性？
• RQ4 能否通过适当的F(R)函数重构实现任意宇宙学膨胀历史？
• RQ5 F(R)引力中的卡门机制是否能自然地解释暗物质效应，而无需引入额外物质组分？

主要发现

• 通过重构程序，F(R)-引力可实现宇宙膨胀的任意时间演化，证明其具有广泛的理论灵活性。
• 可行的F(R)模型尊重牛顿势，并因额外标量自由度质量极重而避免物质不稳定性。
• 卡门机制确保标量场的第五种力在高密度区域被抑制，使理论与太阳系测试相容。
• 同一F(R)模型在解释宇宙加速膨胀和暴胀的同时，也通过标量场的动力学重现了暗物质效应。
• F(R)引力与标准物质之间的非最小耦合不会损害理论的可行性，且保持与观测的一致性。