[論文レビュー] Confronting the sound speed of dark energy with future cluster surveys

Tobias Basse, Ole Eggers Bjælde+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 29被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、特にEuclidミッションを含む将来の銀河団サーベイが、ホール質量関数におけるスケール依存性のクラスタリングを分析することで、ダークエネルギーのパラメータ—特に状態方程式 $w$ と非断熱的音速 $c_s^2$ — をどの程度制約できるかを調査している。球面的崩壊モデルとフィッシャー行列予測を用いて、EuclidとPlanckデータを組み合わせることで $w$ を1%未満の精度で測定可能であり、$c_s^2$ は1桁のオーダー内に制約可能であると示している。また、バーリゼーション効果により、ダークエネルギーが団質量の最大0.1%を占める可能性がある。

ABSTRACT

Future cluster surveys will observe galaxy clusters numbering in the hundred thousands. We consider this work how these surveys can be used to constrain dark energy parameters: in particular, the equation of state parameter w and the non-adiabatic sound speed c_s^2. We demonstrate that, in combination with Cosmic Microwave Background (CMB) observations from Planck, cluster surveys such as that in the ESA Euclid project will be able to determine a time-independent w with subpercent precision. Likewise, if the dark energy sound horizon falls within the length scales probed by the cluster survey, then c_s^2 can be pinned down to within an order of magnitude. In the course of this work, we also investigate the process of dark energy virialisation in the presence of an arbitrary sound speed. We find that dark energy clustering and virialisation can lead to dark energy contributing to the total cluster mass at approximately the 0.1% level at maximum.

研究の動機と目的

• 将来の団サーベイ（例：Euclid）がダークエネルギーのパラメータ $w$ と $c_s^2$ に対してどの程度感受性を示すかを評価すること。
• 任意の $c_s^2$ に対して、球面的崩壊フレームワーク内でのダークエネルギーのバーリゼーション過程をモデル化すること。
• クラスタリングするダークエネルギーが全団質量に与える寄与と、ホール質量関数に与える影響を定量化すること。
• 現実的なサーベイ仕様を想定したフィッシャー行列法を用いたパラメータ制約の予測を行うこと。
• Euclid団サーベイとPlanck CMB観測の相乗効果が、パラメータのデゲネラシーをどのように解消するかを評価すること。

提案手法

• ホール質量関数の計算にはプレス＝シェクター形式を用い、$w$ および $c_s^2$ のさまざまな値に対して、CLASSボルツマンコードを用いて線形物質パワースペクトルを生成した。
• 任意の $c_s^2$ を持つクラスタリングするダークエネルギーの存在下でのバーリゼーションを追跡できるように、球面的崩壊モデルを修正した。このモデルは、重力的崩壊に対するダークエネルギーの動的応答を考慮している。
• $c_s^2 \neq 0,1$ の場合に以前に確立された手法を用いて、崩壊の線形閾値密度を推定し、質量依存の崩壊基準を可能にした。
• Euclidミッションのサーベイ仕様を用いてフィッシャー行列の予測を実施し、弱レントゲンによる約50万個の団の検出を想定した。
• Planck CMB観測と組み合わせることで、$c_s^2$ がCMB単独では poorly constrained であるため、デゲネラシーの解消を分析した。
• 基準的宇宙論モデルはPlanck 2013パラメータを用いてキャリブレーションし、他の宇宙論的パラメータのマージナライゼーションを考慮した上でのパラメータ感受性を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来の団サーベイ（例：Euclid）は、スケール依存性の成長を介して、ダークエネルギーのクラスタリングの痕跡をホール質量関数に検出できるか？
• RQ2 バーリゼーションの瞬間に、バーリタイズドダークエネルギーが全団質量に与える最大の割合はどれくらいか？
• RQ3 Euclid団データとPlanck CMB観測を組み合わせることで、時間に依存しない状態方程式パラメータ $w$ はどの程度の精度で制約可能か？
• RQ4 ダークエネルギーの音速 $c_s^2$ は団の数密度にどの程度の影響を及ぼし、1桁のオーダー内に制約可能か？
• RQ5 $w$、$c_s^2$ および他の宇宙論的パラメータ間のデゲネラシーは、団サーベイの感受性にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• クラスタリングするダークエネルギーが全バーリタイズド団質量に与える最大寄与は約0.1%であり、これはバーリゼーションの瞬間に達成される。
• $c_s^2 = 10^{-6}$ から $10^{-4}$ の範囲では、質量が $\sim 10^{16} M_\odot$ の巨大団の数は、クラスタリングがない場合と比較して最大15%変化する。
• Planck CMBデータを組み合わせることで、Euclidは基準的モデルにおいて時間に依存しない状態方程式 $w$ を1%未満の精度（約0.1%）で制約可能である。
• EuclidとPlanckの組み合わせにより、$\log c_s^2$ に対する感受性がEuclid単独のときと比べて2倍向上し、$c_s^2$ が1桁のオーダー内に制約可能になる。
• 他のパラメータのマージナライゼーションにより感受性は低下するが、Planck+Euclidの統合解析により、$n_s$ の制約は2倍改善され、$\Omega_b h^2$ は約30%改善される。
• $c_s^2 \neq 1$ に起因するスケール依存性のクラスタリングは、将来の団サーベイで検出可能な特徴的な質量関数依存性を引き起こす。