[论文解读] Observational support for approaching cosmic doomsday

Jose Beltrán Jiménez, Ruth Lazkoz+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了由类phantom暗能量或修正引力驱动的未来奇点的宇宙学模型，利用Ia型超新星、BAO和H(z)数据约束此类奇点的出现时间。研究发现，宇宙毁灭的开始时间下限约为28亿年之后，意味着奇点不可能显著早于当前宇宙年龄的1.2倍发生。

ABSTRACT

In this work we consider a family of cosmological models featuring future singularities. This type of cosmological evolution is typical of dark energy models with an equation of state violating some of the standard energy conditions (e.g. the null energy condition). Such kind of behavior, widely studied in the literature, may arise in cosmologies with phantom fields, theories of modified gravity or models with interacting dark matter/dark energy. We briefly review the physical consequences of these cosmological evolutions regarding geodesic completeness and the divergence of tidal forces in order to emphasize under which circumstances the singularities in some cosmological quantities correspond to actual singular spacetimes. We then introduce several phenomenological parameterizations of the Hubble expansion rate to model different singularities existing in the literature and use SN Ia, BAO and H(z) data to constrain how far in the future the singularity needs to be (under some reasonable assumptions on the behaviour of the Hubble factor). We show that quite generally, the lower bound for the singularity time can not be smaller than about 1.2 times the age of the universe, what roughly speaking means approximately 2.8 Gyrs from the present time.

研究动机与目标

• 研究暗能量方程组中违反标准能量条件的未来奇点的宇宙学模型。
• 评估在何种物理条件下这些奇点代表真正的时空奇点，而非宇宙学量的单纯发散。
• 利用哈勃膨胀率的观测数据约束此类奇点的时间。
• 在关于哈勃参数行为的合理假设下，确定未来奇点发生时间的下限。

提出的方法

• 使用现象学模型参数化哈勃膨胀率，以表示文献中发现的各种类型未来奇点。
• 应用Ia型超新星（SN Ia）、重子声学振荡（BAO）和直接H(z)测量的观测数据，以约束模型参数。
• 使用似然分析评估不同奇点模型与当前宇宙学数据的兼容性。
• 聚焦测地线完备性与潮汐力发散，以区分物理奇点与数学伪象。
• 在关于哈勃因子演化合理假设下，评估约束的稳健性。
• 评估在这些模型中违反能量条件（如零能量条件）的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前观测约束下，未来宇宙奇点最早可能在何时发生？
• RQ2 在何种条件下，宇宙学量中的奇点对应于具有发散潮汐力的实际时空奇点？
• RQ3 哈勃膨胀率的不同参数化方式如何影响对未来奇点发生时间的推断？
• RQ4 Ia型超新星、BAO和H(z)数据在多大程度上约束了类phantom暗能量奇点的存在与发生时间？
• RQ5 在关于哈勃参数的物理上合理假设下，未来奇点发生时间的下限是多少？

主要发现

• 未来奇点发生时间的下限被约束为不超过约28亿年之后。
• 该下限对应于当前宇宙年龄的约1.2倍，表明奇点不可能显著早于此时发生。
• 分析表明，宇宙学量中的奇点并不总是意味着物理时空奇点，具体取决于测地线完备性与潮汐力行为。
• 来自Ia型超新星、BAO和H(z)的观测数据强烈排斥极早发生的未来奇点。
• 在关于哈勃参数演化的合理假设下，结果具有稳健性，进一步支持下限估计。
• 若奇点发生在至少28亿年之后，包含phantom场或修正引力的模型仍保持可行性。