[論文レビュー] Constraining the interaction between dark matter and dark energy with CMB data

Riccardo Murgia|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ダークエネルギー（DE）からダークマター（DM）へのエネルギー移動（正の結合 ξ）をパラメータ化した、現象論的非重力的結合について検討している。CMBデータと統合された宇宙論的プローブを用いて、このような結合が高赤方偏移のPlanck測定値と低赤方偏移の局所的H₀およびσ₈推定値の間の矛盾を顕著に軽減することが判明した。DEがDMへと崩壊するモデル（MOD2）は、観測とより良好に一致する。

ABSTRACT

We briefly discuss the intriguing case of a phenomenological non-gravitational coupling in the dark sector, where the interaction is parameterized as an energy transfer either from dark matter to dark energy or the opposite. We show that a non-zero coupling with an energy flow from the latter to the former leads to a full reconciliation of the tension between high- and low-redshift observations present in the standard cosmological model.

研究の動機と目的

• 標準モデルにおけるダークマターとダークエネルギーの非重力的相互作用が、宇宙論的矛盾を緩和できるかどうかを調査すること。
• 高赤方偏移のCMBに基づく推定と低赤方偏移の局所的測定との間で継続的に生じるH₀およびσ₈の乖離を解消する方法を検討すること。
• エネルギーがダークエネルギーからダークマターへと移動する現象論的モデルをテストすること。このモデルは結合パラメータξでパラメータ化されている。
• Planck CMBデータと他の宇宙論的プローブを用いて結合強度を制約すること。

提案手法

• DMおよびDEのストレステンソルに保存則が成り立たないことを仮定し、エネルギー移動を記述する結合項Qを導入する。
• 結合はQ = ξℋρ_Λとしてパラメータ化され、ここでξは次元のない結合パラメータであり、ℋはハッブルレートである。
• DMおよびDEのエネルギー密度の時間発展方程式は、それぞれのストレステンソルの非保存性から導出される。
• 主なデータセットとしてPlanck（TT+lowP）の宇宙マイクロ波背景（CMB）非一様性が用いられ、それに加えてBAO、SNe、RSD、弱引力レンズングデータが補完的に使用された。
• 平坦な事前分布の下で、マーカークェインモンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いてモデルパラメータを制約した。
• 標準のΛCDMモデルと2つの修正モデル（MOD1：ξ < 0、DMがDEへと崩壊する；MOD2：ξ > 0、DEがDMへと崩壊する）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターとダークエネルギーの非重力的相互作用が、高赤方偏移と低赤方偏移におけるH₀およびσ₈の測定値を一致させることができるか？
• RQ2 DEからDMへのエネルギー移動を支配する結合パラメータξが、宇宙論的パラメータの進化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ダークセクター相互作用を組み込むことで、CMBに基づく制約と低赤方偏移の局所的観測との整合性が向上するか？
• RQ4 Planck CMBデータに加えて他の宇宙論的プローブを組み合わせた場合、結合強度ξの制約はどのようになるか？
• RQ5 ξの符号と大きさが、初期宇宙および後期宇宙におけるH₀およびσ₈の予測値にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ダークエネルギーからダークマターへのエネルギー移動を伴うモデル（MOD2、ξ > 0）は、CMBに基づく測定値と局所的測定値の間のH₀およびσ₈の矛盾を軽減する。
• MOD2では、ダークマター密度の低下に起因する構造形成の遅れによりσ₈が抑制され、'ALL'データセットではσ₈ = 0.749⁺⁰.⁰⁶⁷₋₀.⁰⁶¹となる。
• MOD2におけるH₀は局所的測定（70.6 ± 3.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹）と整合的であり、'ALL'データセットにおける最適適合値は67.83⁺¹.⁹⁰₋₁.⁷⁵ km s⁻¹ Mpc⁻¹であった。
• MOD1（DMがDEへと崩壊する）ではσ₈が0.994⁺⁰.²⁸³₋₀.²⁰²にまで上昇し、低赤方偏移のσ₈制約との一致が悪化した。
• MOD2における結合パラメータξは、'ALL'データセットでξ = 0.146⁺⁰.¹⁵⁴₋⁰.¹⁵⁴に制約され、非ゼロではあるが小さな相互作用であることが示された。
• モデルではξとΩ_ch²の強い相関が観測され、DEからDMへのエネルギー移動の際には、ξが大きいほど現在のダークマター密度が低くなる傾向がある。