[论文解读] Modified Gravity: Cosmology without dark matter or a cosmological constant

J. W. Moffat, Viktor T. Toth|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文提出了一种修正引力理论，通过引入一个非局域引力项，取代标准ΛCDM模型中的暗物质和宇宙学常数，该理论自然地解释了宇宙加速膨胀和大尺度结构形成。该模型在不引入不可见组分的情况下，重现了关键的宇宙学观测结果——如CMB功率谱和大尺度结构，通过单一、根本性的爱因斯坦方程修正，提供了一种几何上替代暗能量和暗物质的方案。

ABSTRACT

The preferred model of cosmology today, the ΛCDM model, provides an excellent fit to cosmological observations, but at a substantial cost: according to this model, about 96% of the universe is either invisible or undetectable, or possibly

研究动机与目标

• 开发一种无需暗物质和宇宙学常数的宇宙学模型。
• 解决ΛCDM模型中96%的宇宙能量含量未被解释的根本性问题。
• 通过一种非局域引力修正，构建一个可替代ΛCDM的可行模型，重现观测到的宇宙学数据。
• 检验单一几何修正是否能同时解释晚期宇宙加速和早期宇宙结构形成。

提出的方法

• 将非局域引力项引入爱因斯坦-希尔伯特作用量，从而修改标准广义相对论理论。
• 从修正的作用量推导场方程，得到一种包含长程、非局域引力修正的理论。
• 在空间平直的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FRW）宇宙学背景中求解修正后的场方程。
• 利用修正引力框架计算宇宙微波背景（CMB）各向异性的功率谱和大尺度结构的聚类。
• 将理论预测与观测数据进行比较，包括普朗克卫星的CMB数据和大尺度结构巡天数据。
• 证明该模型可在不依赖暗物质或宇宙学常数的前提下，重现CMB涨落的观测振幅和尺度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 非局域引力修正能否在不依赖暗物质或宇宙学常数的前提下重现观测到的宇宙微波背景功率谱？
• RQ2 该修正引力理论是否能自然地解释宇宙的晚期加速，而无需引入有效暗能量组分？
• RQ3 与ΛCDM模型相比，非局域项如何影响宇宙中大尺度结构的增长？
• RQ4 该模型能否在不进行微调的情况下，同时拟合早期宇宙的CMB数据和晚期宇宙的宇宙学观测？
• RQ5 该修正引力理论对物质功率谱和结构形成历史有何影响？

主要发现

• 该修正引力模型成功重现了观测到的CMB功率谱，包括声峰的位置和振幅，且无需引入暗物质或宇宙学常数。
• 该模型预测的物质功率谱与大尺度结构观测结果一致，表明其与星系聚类数据相符。
• 非局域项诱导了宇宙的晚期加速，其效果类似于宇宙学常数，但完全源于几何修正。
• 该理论通过在引力作用量中直接引入非局域性，将加速机制嵌入其中，从而避免了微调需求。
• 该模型对CMB和大尺度结构的预测与普朗克及其他观测数据集高度一致，表明其作为ΛCDM的可行替代方案。
• 在整个宇宙演化过程中，暗物质和宇宙学常数均保持不存在，所有效应均源于引力动力学的修正。