[论文解读] Interactive Unified Dark Energy and Dark Matter from Scalar Fields

David Benisty, Eduardo Guendelman|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于两测度理论和动力时空理论中标量场的暗能量与暗物质统一框架，引入了一种扩散相互作用机制，导致能量-动量张量不守恒。该模型在晚期时间表现出类似于ΛCDM的固定点，并在两种形式中初步展现出量子一致性。

ABSTRACT

Here we generalize ideas of unified Dark Matter Dark Energy in the context of Two Measure Theories and of Dynamical space time Theories. In Two Measure Theories one uses metric independent volume elements and this allows to construct unified Dark Matter Dark Energy, where the cosmological constant appears as an integration constant associated to the equation of motion of the measure fields. The Dynamical space time Theories generalize the Two Measure Theories by introducing a vector field whose equation of motion guarantees the conservation of a certain Energy Momentum tensor, which may be related, but in general is not the same as the gravitational Energy Momentum tensor. We propose two formulations of this idea: I - by demanding that this vector field be the gradient of a scalar, II - by considering the dynamical space field appearing in another part of the action. Then the Dynamical space time Theory becomes a theory of Diffusive Unified Dark Energy and Dark Matter. These generalizations produce non conserved energy momentum tensors instead of conserved energy momentum tensors which leads at the end to a formulation of interacting DE-DM dust models in the form of a diffusive type interacting Unified Dark Energy and Dark Matter scenario. We solved analytically the theories for perturbative solution and asymptotic solution, and we show that the $\Lambda$CDM is a fixed point of these theories at large times. Also a preliminary argument about the good behavior of the theory at the quantum level is proposed for both theories.

研究动机与目标

• 通过两测度理论和动力时空理论推广统一的暗能量与暗物质模型。
• 通过从测度场动力学中导出宇宙学常数作为积分常数，解决宇宙学常数问题。
• 构建一个统一框架，使暗能量与暗物质通过扩散机制相互作用，避免标准守恒定律。
• 通过初步论证，探讨所提统一模型的量子可行性。
• 分析该理论的宇宙学演化，特别是其渐近行为和固定点。

提出的方法

• 在度规无关的体积元下使用两测度理论，构建统一的暗能量与暗物质作用量。
• 在动力时空理论中引入一个向量场，其运动方程确保非引力能量-动量张量守恒。
• 提出两种形式：(I) 将向量场设为标量场的梯度，(II) 将动力时空场嵌入作用量的另一部分。
• 推导出导致能量-动量张量不守恒的运动方程，从而实现暗能量与暗物质之间的扩散相互作用。
• 通过微扰和渐近解析解研究该模型的宇宙学演化。
• 通过检查作用量和场方程在量子层面的一致性，评估其量子行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过两测度理论和动力时空理论实现暗能量与暗物质的统一描述？
• RQ2 引入一个具有非引力能量-动量张量守恒的向量场，如何影响暗能量与暗物质的动力学？
• RQ3 该统一模型的宇宙学行为如何，特别是在晚期时间的极限下？
• RQ4 该模型在其渐近演化中是否表现出ΛCDM作为固定点？
• RQ5 所提统一框架中是否存在量子一致性的基础？

主要发现

• 在两测度理论中，宇宙学常数自然地作为测度场运动方程的积分常数出现。
• 在动力时空理论形式中，能量-动量张量不守恒，从而实现了暗能量与暗物质之间的扩散相互作用。
• 该模型在晚期时间表现出ΛCDM作为固定点，表明与当前宇宙学观测一致。
• 微扰和渐近解证实了在所提模型中，ΛCDM解具有稳定性和吸引子行为。
• 初步论证表明，该理论的两种形式在量子层面均具有可行性，支持其可能的紫外完成。
• 所提出的两种形式（I 和 II）在统一暗能量与暗物质动力学的背景下表现出等效的物理行为。