[論文レビュー] Constraints on dark energy from the observed density fluctuations spectrum and supernova data

R. Opher, Ana Pelinson|arXiv (Cornell University)|May 23, 2005

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

ひとこと要約

本研究では、観測された密度揺らぎスペクトルと超新星データを用いて、真空変換モデル（VMM）とbrane-worldモデル（BWM）を制約し、CMBと銀河データにおける$(\delta\rho/\rho)^2$の乖離の$F_{\text{max}} = 0.1$であるとすると、$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$と併せて、VMMおよびBWMは除外される。さらに、パラメータ化されたダークエネルギー状態方程式は$-1.86 < w_0 < -1.72$および$1.53 < w_a < 2.9$に制限され、$w_0 = -0.82$、$w_a = 0.58$の超重力モデル（SUGRA）は$F \approx 0.38$の大きな値を示し、除外される。これらの結果は、宇宙定数を超える実現可能なダークエネルギーモデルを強く制限する。

ABSTRACT

One of the greatest challenges in cosmology today is to determine the nature of dark energy, the source of the observed present acceleration of the universe. High precision experiments are being developed to reduce the uncertainties in the observations. Recently, we showed that the agreement to an accuracy of 10% of measurements of the present density fluctuations (δρ/ρ)^2, derived from galaxy distribution (GD) data and cosmic microwave background (CMB) anisotropies in the \LambdaCDM model, puts very strong limits on the possible decay of the vacuum energy into cold dark matter. Using this agreement, combined with the evidence that the matter density Ω_M^0=0.28\pm 0.02 and that the universe is approximately flat, we show that the vacuum metamorphosis model (VMM) and the popular brane-world model (BWM), both used to explain dark energy, can be discarded. When we relax the Ω_M^0 requirement, we find that an agreement within 10% can be obtained only with Ω_M^0\simeq 0.36 for the VMM and Ω_M^0\simeq 0.73 for the BWM, both of which are not consistent with observations. The agreement of the CMB and GD data and previous constraints from SNIa data exclude, or put strong limits on, other dark energy models, which have been suggested, that can be described by the parametrized equation of state (EOS) w=p/ρ= w_0 + w_a(1-a), where w_0 and w_a are constants, a is the cosmological scale factor and p (ρ) is the pressure (energy density) of the dark energy. We find that the supergravity (SUGRA) model with w_0=-0.82 and w_a=0.58 can be discarded. In general, we find best values -1.86

研究の動機と目的

• 観測的制約を用いて、真空変換モデル（VMM）およびbrane-worldモデル（BWM）がダークエネルギー候補として妥当かどうかを検証すること。
• 超新星（SNIa）データと密度揺らぎにおける$F = 0.1$の乖離を用いて、パラメータ化されたダークエネルギー状態方程式$w(a) = w_0 + w_a(1-a)$を制約すること。
• 同一の観測的制約に対して、$w_0 = -0.82$、$w_a = 0.58$の超重力（SUGRA）モデルを評価すること。
• これらのモデルが、CMBと銀河分布（GD）データの間で観測された$F \leq 0.1$の密度揺らぎスペクトルを再現できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 有効状態方程式$w(z)$を用いたFriedmann方程式を用いて、さまざまなダークエネルギーモデルの線形成長因子$G = (\delta\rho/\rho)/a$を数値計算すること。
• ダークエネルギーを記述するためのパラメータ化された状態方程式$w(a) = w_0 + w_a(1-a)$を用い、$w_0$および$w_a$を自由パラメータとする。
• CMBと銀河分布データからの予測された$(\delta\rho/\rho)^2$を比較し、乖離$F = |(\delta\rho/\rho)^2_{\text{CMB}} - (\delta\rho/\rho)^2_{\text{GD}}| / (\delta\rho/\rho)^2_{\text{CMB}}$を計算すること。
• Gold SNIaデータセットからの制約を適用して、$w_0$および$w_a$の許容範囲を制限し、$F \leq 0.1$および$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$を満たすようにすること。
• SUGRAモデルの$F$値を計算し、$F_{\text{max}} = 0.1$の閾値と比較すること。
• 平坦宇宙の仮定と$\Lambda$CDMモデルを、一貫性の確認のためのベンチマークとして用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空変換モデル（VMM）は、観測された$F \leq 0.1$の密度揺らぎ測定と$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$と整合することができるか？
• RQ2 同様の観測的制約（$F$および$\Omega_M^0$）のもとで、brane-worldモデル（BWM）は妥当性を保っていると言えるか？
• RQ3 SNIaデータと$F \leq 0.1$の条件を組み合わせた場合、パラメータ化されたダークエネルギーモデル$w(a) = w_0 + w_a(1-a)$における$w_0$および$w_a$の最もきつい許容範囲は何か？
• RQ4 超重力（SUGRA）モデル（$w_0 = -0.82$、$w_a = 0.58$）は、$F \leq 0.1$および$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$の制約と整合するか？
• RQ5 VMMおよびBWMが$F \leq 0.1$を達成するためには、どの程度の物質密度$\Omega_M^0$が必要であり、それは観測と整合するか？

主な発見

• 真空変換モデル（VMM）は、$\Omega_M^0 \approx 0.36$である場合にのみ$F \leq 0.1$を達成可能であり、これは観測された$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$と整合しないため、モデルは除外される。
• brane-worldモデル（BWM）は、$F \leq 0.1$を達成するためには$\Omega_M^0 \approx 0.72$を必要とし、これは観測された$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$とは著しく異なるため、モデルは除外される。
• パラメータ化されたダークエネルギーモデル$w(a) = w_0 + w_a(1-a)$について、SNIaデータと$F \leq 0.1$の条件を組み合わせた場合、最良の適合範囲は$-1.86 < w_0 < -1.72$および$1.53 < w_a < 2.9$に制限される。
• 超重力（SUGRA）モデル（$w_0 = -0.82$、$w_a = 0.58$）は$F_{\text{SUGRA}} \approx 0.38_{+0.02}^{+0.04}$を示し、$F_{\text{max}} = 0.1$の閾値を大きく上回るため、モデルは除外される。
• 超新星データが最も感度が高い赤方偏移$z \sim 0.5-1$の領域では、制限された$w_0$および$w_a$の範囲において、有効状態方程式は$w \sim -1$である。
• 本研究は、$w_0 > -1.86$または$w_a < 1.53$のモデルは、$F \leq 0.1$、$\Omega_M^0 = 0.28 \pm 0.02$、およびSNIaデータの組み合わせによる制約と整合しないと結論づける。