[論文レビュー] Cosmological constraints on a dark matter -- dark energy interaction

Mark B. Hoffman|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 40被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、スカラー場を介してダークマターとダークエネルギーが相互作用する宇宙論的モデルを調査している。このスカラー場は、ダークマター粒子の質量を動的に変化させる。CMB非等方性および光度距離の計算を通じて、最も単純なこのようなモデルは、観測と整合しない温度パワースペクトルおよび強化された統合サックス＝ウォルフソン（ISW）効果のため、現在の観測によってすでに除外されていることが判明した。

ABSTRACT

It is generally assumed that the two dark components of the energy density of the universe, a smooth component called dark energy and a fluid of nonrelativistic weakly interacting particles called dark matter, are independent of each other and interact only through gravity. In this paper, we consider a class of models in which the dark matter and dark energy interact directly. The dark matter particle mass is proportional to the value of a scalar field, and the energy density of this scalar field comprises the dark energy. We study the phenomenology of these models and calculate the luminosity distance as a function of redshift and the CMB anisotropy spectrum for several cases. We find that the phenomenology of these models can differ significantly from the standard case, and current observations can already rule out the simplest models.

研究の動機と目的

• 宇宙論的モデルにおけるダークマターとダークエネルギーの直接的相互作用の現象論的結果を調査すること。
• このような相互作用が、特にCMB非等方性スペクトルおよびIa型超新星の明るさ-赤方偏移関係と整合するかどうかを評価すること。
• 相互作用が物質支配から真空支配への遷移を延長することで、一致問題を緩和できるかどうかを特定すること。
• 初期条件の微調整や代替の場のダイナミクスが、妥当な相互作用モデルを救済できるかどうかを評価すること。

提案手法

• スカラー場の値がダークマター粒子の質量を決定する場としてのダークエネルギーをモデル化すること。
• 相互作用するダークセクターの有効状態方程式パラメータおよびエネルギー密度の時間発展を導出すること。
• 相互作用項を含むフリードマン方程式を用いて、赤方偏移の関数としての光度距離を計算すること。
• 相互作用モデルにおける摂動方程式を解くことで、CMB温度非等方性パワースペクトルを計算すること。
• 予測されたCMBスペクトルおよびISW効果を、WMAPおよび他のソースからの観測データと比較すること。
• 時間的に変化するダークマター質量およびポテンシャルの極小付近でのスカラー場のダイナミクスを有するモデルの妥当性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマター粒子の質量がスカラー場の値に比例するモデルが、観測と整合するCMB非等方性スペクトルを生成できるか？
• RQ2 ダークマターとダークエネルギーの相互作用が、観測と矛盾する強化された統合サックス＝ウォルフソン（ISW）効果を引き起こすか？
• RQ3 非単調なダークマター質量の時間的変化（例：減少してから増加）を示すモデルは、単調なモデルが除外されるCMB制約を回避できるか？
• RQ4 スカラー場が最後散乱時から今日にかけて著しく変化しないように初期条件を微調整することは可能か？その場合、CMB制約を回避できるか？
• RQ5 代替の場のポテンシャルや追加の場が、スカラー場を固定値の周辺で安定化させ、観測的矛盾を回避できるか？

主な発見

• ダークマター粒子の質量が時間とともに単調に増加する最も単純なモデルでは、最後散乱時のダークマター対放射能比がΛCDMモデルよりも低くなり、観測と整合しないCMB非等方性スペクトルが得られる。
• 相互作用モデルにおけるCMB温度非等方性スペクトルは、摂動ダイナミクスの修正によっても、低すぎる物質対放射能比を補償できないため、スペクトルの不整合が確認された。
• このモデルは、低多重度（l）における統合サックス＝ウォルフソン（ISW）効果が強化されており、観測限界を超え、観測データと矛盾する。
• 非単調なダークマター質量の時間的変化（例：減少してから増加）を示すモデルは、CMB制約を回避し、妥当な可能性を有するが、詳細な構造形成解析を要する。
• 最後散乱時から今日にかけてスカラー場の変化を防ぐために初期条件を微調整することは、CMB制約を回避できるが、美的には不快とされる。
• 修正されたポテンシャルや追加の場を有するより複雑なモデルは、スカラー場を安定化させ、観測的矛盾を回避できる可能性を示しており、今後の調査のための有効な道筋を示唆している。