[论文解读] Viable exact model universe without dark energy from primordial inflation

David L. Wiltshire|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出了一种无需暗能量的精确宇宙学模型，通过将原初暴胀产生的超 horizon 微扰纳入完整的爱因斯坦方程中。仅使用测量得到的当前密度参数（Ω₀）和哈勃常数（H₀），该模型重现了观测到的光度距离，并预测宇宙年龄为125 +0.7/-0.9十亿年，尽管目前宇宙仅略微减速，但其表现与暗能量模型极为相似。

ABSTRACT

A model of the observed universe, using solutions to the full Einstein equations, is developed on the basis of the suggestion of Kolb, Matarrese, Notari and Riotto [hep-th/0503117] that cosmological evolution must take into account super-horizon sized remnant perturbations from an epoch of primordial inflation. The new cosmology, with no dark energy at the present epoch, is fully described in terms of two already measured parameters: the present density parameter, Omega_0, and the Hubble constant, H_0. From these parameters all other cosmological parameters can be derived, including an exact luminosity distance and the expansion age of the universe. Although the observable universe is marginally decelerating at the present epoch, due to systematic factors in the luminosity distance relation the inferred luminosity distances will nonetheless very closely mimic a model with the same density, Omega_0, but a vacuum energy 1-Omega_0, in accord with the evidence of distant type Ia supernovae. For Omega_0 = 0.23+-0.05 and H_0=71 +4/-3 km/sec/Mpc the universe is predicted to be 12.5 +0.7/-0.9 billion years old.

研究动机与目标

• 开发一种无需引入暗能量即可解释观测到的光度距离数据的宇宙学模型。
• 将原初暴胀产生的超 horizon 残留微扰纳入完整的爱因斯坦方程中。
• 仅从两个测量得到的可观测量（Ω₀ 和 H₀）推导出所有宇宙学参数，包括光度距离和年龄。
• 证明光度距离关系中的系统效应可在标准模型中产生类似暗能量的表观效应。
• 提供一个精确满足观测约束的爱因斯坦方程解，且无需人为添加的组分。

提出的方法

• 求解包含长波长微扰（在宇宙视界之外保持不变）的完整爱因斯坦方程，初始条件源自原初暴胀。
• 仅以当前密度参数（Ω₀）和哈勃常数（H₀）作为输入参数，完全确定宇宙演化过程。
• 从精确解中推导出精确的光度距离关系，考虑非线性、超视界微扰的影响。
• 分析光度距离关系中的系统效应如何在宇宙实际减速的情况下产生表观加速膨胀的效应。
• 将模型预测的光度距离与来自Ia型超新星的观测结果进行比较，以验证模型与数据的一致性。
• 直接从精确解中利用推导出的参数计算宇宙的膨胀年龄。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个不包含暗能量的宇宙学模型能否重现来自Ia型超新星的观测光度距离数据？
• RQ2 原初暴胀产生的超视界微扰如何影响宇宙的大尺度几何结构与动力学？
• RQ3 光度距离关系中的系统效应在多大程度上可模拟标准宇宙学模型中暗能量的表观效应？
• RQ4 是否可能仅通过Ω₀和H₀在完整爱因斯坦方程的解中完全确定宇宙的演化历史与年龄？
• RQ5 在考虑原初微扰的无暗能量模型中，宇宙的预测年龄是多少？

主要发现

• 该模型给出了爱因斯坦方程的精确解，能够描述观测到的宇宙，而无需引入暗能量。
• 尽管当前宇宙仅略微减速，该模型的光度距离关系与具有真空能量密度为1−Ω₀的标准ΛCDM模型极为相似。
• 当Ω₀ = 0.23 ± 0.05 且 H₀ = 71 +4/−3 km/sec/Mpc 时，该模型预测宇宙年龄为12.5 +0.7/−0.9十亿年。
• 所有宇宙学参数，包括光度距离和膨胀年龄，均直接从两个测量参数Ω₀和H₀推导得出。
• 该模型表明，光度距离关系中的系统效应可在实际减速的宇宙中产生表观加速膨胀的错觉。
• 该解与当前来自Ia型超新星的观测约束完全一致，且未引入如暗能量等未观测到的组分。