[論文レビュー] Cluster Abundance Constraints on Quintessence Models

Li-Min Wang, Paul J. Steinhardt|Apr 2, 1998

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 473

ひとこと要約

本稿は、時間に依存するダークエネルギー（w ≠ -1）を有するクインテッセンスモデル、コールドダークマター、および変化するスペクトル指数nとハッブルパラメータhを含む、一般化された表現を用いて、クラスタ数密度制約σ₈Ωₘ^γ = 0.5 ± 0.1における指数γを導出する。主な結果は、CMB非等方性のみでは区別できないΛCDMとQCDMモデル間のデゲネラシーを、クラスタ数密度およびその進化データが解消できることである。特に、将来の高精度なクラスタ進化測定と組み合わせた場合に顕著である。

ABSTRACT

The abundance of rich clusters is a strong constraint on the mass power spectrum. The current constraint can be expressed in the form $σ_8 Ω_m^γ = 0.5 \pm 0.1$ where $σ_8$ is the $rms$ mass fluctuation on 8 $h^{-1}$ Mpc scales, $Ω_m$ is the ratio of matter density to the critical density, and $γ$ is model-dependent. In this paper, we determine a general expression for $γ$ that applies to any models with a mixture of cold dark matter plus cosmological constant or quintessence (a time-evolving, spatially-inhomogeneous component with negative pressure) including dependence on the spectral index $n$, the Hubble constant $h$, and the equation-of-state of the quintessence component $w$. The cluster constraint is combined with COBE measurements to identify a spectrum of best-fitting models. The constraint from the evolution of rich clusters is also discussed.

研究の動機と目的

• 時間に依存するクインテッセンスによるダークエネルギーを有するモデルに、クラスタ数密度制約σ₈Ωₘ^γ = 0.5 ± 0.1を一般化し、宇宙定数（Λ）モデルに限らないこと。
• クインテッセンスの状態方程式w、スペクトル指数n、ハッブルパラメータhに依存する一般式γを導出すること。
• CMB非等方性のみでは区別できないΛCDMとQCDMモデル間のデゲネラシーを、クラスタ数密度およびその進化データが解消できることを示すこと。
• パwerスペクトルのCOBE正規化を組み合わせることで、最適適合ΛCDMおよびQCDMモデルを特定すること。

提案手法

• クインテッセンスを含むモデルにおける、準平衡状態のクラスタの質量-温度関係を導出し、Virial定理における時間に依存する真空エネルギー寄与を組み込む。
• プレス＝シュマイザー形式を用いて、観測されたクラスタ数密度をσ₈に関連づけ、γをn、h、wの関数として導出する。
• パワースペクトルのCOBE-DMR正規化を用いて、クラスタ数密度に依存しないσ₈の制約を導入する。
• z=0からz≈1までのクラスタ数密度の進化を分析し、CMB非等方性がデゲネラシーを示すモデルを区別する。
• CMBおよびクラスタデータが整合するw–Ωₘパラメータ空間におけるデゲネラシー曲線を構築し、A(M₁.₅)のばらつきを評価して識別可能性を検証する。
• クラスタ数密度の赤方偏移依存性（A(M₁.₅)で定量化）を識別子として用い、デゲネラシーを持つモデル間でz=0.5における数密度に約2桁の変動が生じることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クインテッセンスモデルにおけるクラスタ数密度制約σ₈Ωₘ^γの指数γは、スペクトル指数n、ハッブルパラメータh、および状態方程式wにどのように依存するか？
• RQ2 クラスタ数密度およびその進化データは、CMB非等方性スペクトルが同一であるΛCDMとQCDMモデルの間のデゲネラシーを解消できるか？
• RQ3 さまざまなクインテッセンスモデルにおいて、COBE正規化とクラスタ数密度制約の両方に整合するσ₈の範囲は何か？
• RQ4 デゲネラシー曲線上で、予測されるクラスタ数密度の進化（A(M₁.₅)）は、w、h、Ωₘの変動に対してどの程度感度を示すか？
• RQ5 将来の高精度なクラスタ進化測定（例：MAPまたはPlanck）によって、ΛCDMとQCDMモデルをどの程度の精度で区別できるか？

主な発見

• 本稿は、n、h、wに依存する一般式γを導出し、ΛCDMに限らないクインテッセンスモデルへσ₈Ωₘ^γ = 0.5 ± 0.1のクラスタ数密度制約を拡張した。
• CMB非等方性がデゲネラシーを示すモデルでは、予測されるクラスタ数密度の進化（A(M₁.₅)）がz=0.5でほぼ2桁の変動を示し、強力な識別力を持つことが判明した。
• デゲネラシー曲線上のA(M₁.₅)の範囲は-3.5から-5.5にわたり、クラスタの進化が、そうでない限り区別できないモデルを区別できることを示している。
• COBE正規化と組み合わせることで、クラスタ数密度制約は、σ₈が0.5～1.0の範囲に限定される最適適合ΛCDMおよびQCDMモデルのバンドを特定した。
• 将来のA(M₁.₅)の測定精度が±0.5未満であれば、CMBデータのみでは区別できないΛCDMとQCDMモデルのデゲネラシーを解消できる可能性がある。
• 本研究は、クラスタの進化が、時間に依存するクインテッセンスと宇宙定数の区別に極めて重要なプローブであることを特定した。特に、CMBおよび他の宇宙論的制約と組み合わせた場合に顕著である。