Nicht-singuläre oszillierende Kosmologie auf Randall-Sundrum II: Diskussion

Linktabelle

• Zusammenfassung und Einleitung
• Das kosmologische Modell
• Diskussion
• Danksagung
• Verweise

3. Diskussion

Wenn sich das Universum zusammenzieht, wächst die Energiedichte und divergiert schließlich, wodurch auch die Skalarkrümmung und der Hubble-Parameter divergieren. Dies lässt sich anhand der Tatsache verstehen, dass der Skalenfaktor in der Friedmann-Gleichung verschwindet. Der Rückprall ist der Mechanismus, der einfach die Bildung der anfänglichen Singularität verhindert, indem er den Skalenfaktor zu erhöhen beginnt, bevor er Null erreichen kann, oder die Energiedichte abfallen lässt, bevor sie divergieren kann. Die Bedingung für den Rückprall wird durch ¨a > 0 erreicht, sodass das sich zusammenziehende Universum zu expandieren beginnt. Alternativ muss das expandierende Universum bei der Umkehrung beginnen, sich zusammenzuziehen, damit sowohl der Skalenfaktor als auch die Energiedichte in der endlichen Zukunft nicht divergieren, und dies kann durch die Bedingung ¨a < 0 erreicht werden. Sowohl beim Rückprall als auch bei der Umkehr verschwindet der Hubble-Parameter, anstatt zu divergieren. Der Skalenfaktor erreicht weder Null noch einen unendlichen Wert, da die effektive Energiedichte auf der Membran endlich bleibt. Somit durchläuft das Universum sowohl den Rückprall als auch die Umkehrung reibungslos. Für die Kosmologie auf der Membran können beide Mechanismen durch ein Minimum an erforderlichen Komponenten erreicht werden – ein Skalarfeld mit Inflationspotenzial und eine DE-Komponente, die den NEC verletzt.

Das Problem mit dem Phantom ist, dass solch eine exotische Flüssigkeit eine Reihe theoretischer Inkonsistenzen und Pathologien auf Quantenebene aufweist, die ihre Existenz fragwürdig machen. Das Problem mit den zukünftigen Singularitäten kann, wie wir herausgefunden haben, durch den Korrekturterm auf der Membran behoben werden, aber eine solche Flüssigkeit kann auch dazu führen, dass das Vakuum instabil wird. Versuche, dynamische Skalarfeldmodelle des Phantoms zu konstruieren, haben zu einem negativen kinetischen Term geführt[25], der wiederum zu Quanteninstabilitäten führt[30]. Es gibt jedoch ein kosmologisches Modell von DE mit verschwindendem Λ, bei dem die Vakuumenergie, die aus der Quantisierung eines freien Skalarfelds mit geringer Masse gewonnen wird, durch eine supernegative EoS beschrieben wird und das Modell frei von Pathologien auf Quantenebene ist[31]. Die meisten oszillierenden Kosmologiemodelle weisen im Allgemeinen zwei Probleme auf. Wir werden sie sehr kurz diskutieren, ohne zu sehr ins Detail zu gehen, bevor wir den Brief abschließen. Das erste Problem wird durch die fortgesetzte Existenz singulärer Objekte wie Schwarzer Löcher aus den Flächensätzen von Hawking aufgeworfen. Vor der Umkehr, die zum nächsten Rückprall (über eine Kontraktionsphase) in einem Phantom-dominierten Universum führt, können sich solche Strukturen jedoch aufgrund der extrem starken gravitativ abstoßenden Effekte auflösen[32], wodurch verhindert wird, dass sie die Entwicklung des Universums während der Kontraktionsphase nach der Umkehr stören. Tatsächlich wurde gezeigt, dass[33] die Flächensätze von Hawking möglicherweise nicht zutreffen, wenn die NEC (ρ + p ≥ 0) verletzt wird, wie dies bei einem Phantom-dominierten Universum der Fall ist. Alle überlebenden mikroskopischen Schwarzen Löcher können als mögliche Kandidaten für dunkle Materie fungieren. Darüber hinaus kann die Singularität des Schwarzen Lochs auch im UV-korrigierten Bild aufgelöst werden, genau wie die anfänglichen Singularitäten des Urknalls und des Big Rip, und es können auch nicht-singuläre Nachahmer von Schwarzen Löchern wie Gravasterne auf der Membran existieren[34], was zu einer sofortigen vollständigen Lösung des Problems führt. In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, dass die RSII-Branenwelt auch zur Erklärung eines kürzlichen GW-Ereignisses GW170817 [35] und der jüngsten Beobachtung des dunklen Schattens von M87∗ [36] verwendet wurde. Das zweite Problem hängt mit der Entropie des Universums zusammen, die unserer Meinung nach nach dem Aufprall in jedem Zyklus periodisch gleich bleibt, sodass die mögliche Zunahme der Entropie während der Expansionsphase durch eine mögliche Abnahme während der von Strahlung/Materie dominierten Expansionsphase kompensiert wird. Dies verhindert, dass die Entropie auf unendlich große Werte ansteigt, was die Anzahl der Zyklen begrenzt. In diesem Brief beschäftigen wir uns jedoch hauptsächlich mit dem Aufprall und der Umkehr in einem einzigen Zyklus.

Dies ist das erste Modell, das die anfängliche Singularität mithilfe eines Einzelbranenansatzes mit positiver Branenspannung vermeiden kann. Branenwelten mit einer raumähnlichen Zusatzdimension wie die, die wir hier betrachtet haben, sind durch eine positive Branenspannung gekennzeichnet (da die effektive Gravitationskonstante auf der Brane positiv sein muss, um die anziehende Natur der Schwerkraft zu erklären), aber ein solcher Aufbau konnte die Singularität des Urknalls nicht auflösen. Die bisher nicht-singulären Modelle der Branenkosmologie haben entweder auf eine Einzelbrane mit zeitähnlicher Zusatzdimension zurückgegriffen, bei der kein Skalarfeld herangezogen werden muss, um den Rückprall zu erzeugen, der auf natürliche Weise durch die kosmologische Dynamik entsteht[10], aber die Branenspannung aus demselben Grund negativ sein muss, aus dem eine positive effektive Gravitationskonstante erhalten wird, oder alternativ eine zweite Branenwelt mit negativer Spannung parallel zur Brane mit positiver Spannung mit endlichem Abstand zwischen den Branen eingeführt. Die Einführung der parallelen Branenwelt mit negativer Spannung hat zwei Vorteile: Erstens haben Branen mit negativer Spannung die einzigartige Eigenschaft, dass die Trägheit der Materie verringert ist, da positive Energiedichte auf sie übertragen wird, was die dynamische Realisierung unterstützt, und zweitens bietet der Aufbau mit zwei Branen den Vorteil eines Skalarfelds, das als Radion bekannt ist und die Trennung zwischen den Branen moduliert und sowohl den Rückstoß zu frühen Zeitpunkten auslösen als auch sich zu späteren Zeitpunkten wie Phantom-Dunkelenergie verhalten kann, während sich der nichtkanonische kinetische Term zu einem negativen Wert entwickelt[37]. Es gibt jedoch einige tachyonische Instabilitäten im Zusammenhang mit Branenwelten mit negativer Spannung, die möglicherweise in der M-Theorie gelöst werden können, aber noch nicht gut genug erforscht wurden und weitere formale Entwicklungen in der M-Theorie erfordern (obwohl die Eigenschaften wirklich ansprechend sind). Im Gegenteil, die Bestandteile unseres Modells sind gut erforscht und die Physik ist im Hinblick auf eine einzelne Brane mit positiver Spannung besser verstanden. Die Phantom-Dunkelenergie führt auch nicht zum großen Riss, da die quadratische Korrektur der Spannungsenergie signifikant wird, bevor die Singularität erreicht wird.

Außerdem ist das von uns verwendete Skalarfeld physikalisch gut begründet, da es das Inflationsszenario auf natürliche Weise aufnehmen kann und sein Potenzial nicht rekonstruiert werden muss, um die Entstehung kosmologischer Saatstörungen zu erklären. Die meisten Modelle der Kosmologie mit einem nicht singulären Rückprall müssen entweder auf alternative Mechanismen zurückgreifen, um physikalisch nicht sehr gut verstandene Saatstörungen zu erzeugen, oder müssen das Potenzial ad hoc rekonstruieren, um die Störungen zu erzeugen. In unserem Modell jedoch verfügt eine Inflationsepoche nach dem Rückprall, die durch das Skalarfeld mit einem inflationären Emergentpotenzial angetrieben wird, bereits über alle Bestandteile, die für die Entstehung dieser Störungen verantwortlich sind, und ist gut verstanden. Wir können es als Spielzeugmodell betrachten, nicht weil das Szenario physikalisch nicht begründet ist, sondern weil wir das Modell nicht anhand von Beobachtungen getestet haben. Wir planen, die primordialen Observablen wie die Amplitude der Skalarstörungen, das Tensor-Skalar-Verhältnis und den Spektralindex zu analysieren und sie in einer Folgearbeit in naher Zukunft anhand neuester Beobachtungen zu testen.