[論文レビュー] Cosmological models of dark energy: theory and observations

Olga Avsajanishvili|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本学位論文は、特にラトラ＝ピーブルス型ポテンシャルを用いたスカラー場ポテンシャルを用いて、動的ダークエネルギーモデルを観測データと照らし合わせて検証する。ベイズ的モデル比較とMCMC解析を用い、成長率、ハッブルパラメータ、距離に関するデータに対して分析を行い、標準的なΛCDMモデルが代替のダークエネルギーモデルよりも強く統計的に支持されることを明らかにした。また、αやΩ_mといったモデルパラメータのきつい制約が得られた。

ABSTRACT

We investigated the evolution of the background expansion and the growth rate of the matter density fluctuations in the scalar field $ϕ$CDM Ratra-Peebles model. We constrained the model parameter $α$ and the matter density parameter $Ω_{ m m}$ using the recent measurements of the growth rate of the matter density fluctuations and baryon acoustic oscillation peak position. In addition, we studied a number of the $ϕ$CDM scalar field models in order to determine whether or not it would be possible to discriminate them from the $Λ$CDM model using predicted data for the future Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) observations. For this purpose, we carried out the statistical Bayesian analysis, and computed Bayes coefficients, as well as Akaike and Bayesian information criteria. We found that projected DESI results could provide compelling when comparing most $ϕ$CDM models with the $Λ$CDM model. We also conducted the MCMC analysis and obtained the constraints on the parameters of the scalar field models, comparing the observational data for: the universe expansion rate, the angular diameter distance and the growth rate function, with the corresponding data generated for the $Λ$CDM model. We investigated how well the Chevallier-Polarsky-Linder (CPL) parametrization approximates the various scalar field models. We determined the location of scalar field model in the phase space of the CPL parameters.

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルにおける宇宙定数問題と一致問題を、スカラー場モデルによる動的ダークエネルギーの探求によって解決すること。
• 最新の成長率およびBAOデータを用いて、ラトラ＝ピーブルス型ポテンシャルのパラメータαおよび物質密度Ω_mを制約すること。
• 将来のDESIデータの予測力が、ΛCDMモデルと代替のダークエネルギーモデルを区別できるかを評価すること。
• CPLパrametrizationが多様なスカラー場ダークエネルギーモデルをどの程度正確に近似できるかを評価すること。
• CPLパラメータ空間におけるスカラー場モデルの位置をマッピングし、ΛCDMモデルと観測的妥当性を比較すること。

提案手法

• 将来のDESIデータのシミュレーションを用いて、ベイズ的統計的手法を用いてΛCDMモデルと動的ダークエネルギーモデルの証拠を比較した。
• 理論的予測と観測データを比較することで、スカラー場モデルのパラメータを制約するためにマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を適用した。
• ハッブルパラメータ、角距離径、物質の成長率の観測データを用いて、モデルのフィットを補正した。
• 時間的に変化するエネルギー密度を持つ動的ダークエネルギーモデルとして、ラトラ＝ピーブルス型ポテンシャルを評価した。
• スカラー場モデルをCPLパラメータ空間にマッピングし、ΛCDMモデルとの観測的区別可能性を評価した。
• 将来のDESI観測を想定した合成データを生成し、現実的な条件下でのモデル識別力のテストを行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の観測データに対して、動的スカラー場モデルのダークエネルギーはΛCDMモデルと比べてどの程度適合するか？
• RQ2 現在の成長率およびBAOデータから、ラトラ＝ピーブルス型ポテンシャルのパラメータαおよび物質密度Ω_mに対する最もきつい制約は何か？
• RQ3 将来のDESIデータは、ΛCDMモデルと代替のダークエネルギーモデルをどの程度明確に区別できるか？
• RQ4 CPLパラメータ空間は、多様なスカラー場ダークエネルギーモデルをどの程度正確に表現できるか？
• RQ5 異なるスカラー場モデルはCPLパラメータ空間のどこに位置するのか？また、それらはΛCDM点（w = -1, w_a = 0）と比較してどうなるか？

主な発見

• 将来のDESIデータを用いたベイズ的モデル比較により、ΛCDMモデルが動的ダークエネルギーの代替モデルよりも強く統計的に支持された。
• ラトラ＝ピーブルス型ポテンシャルのパラメータαは、ΛCDMモデルと整合する値にきつい制約がかけられ、現在の成長率およびBAOデータから導かれた。
• MCMC解析により、モデルパラメータの精密な制約が得られ、ハッブルパラメータ、距離、成長率データにフィットした際、スカラー場モデルとΛCDMモデルの予測が良好に一致した。
• CPLパラメータ空間は多くのスカラー場モデルに対して良い近似を与えたが、特定のパラメータ領域ではずれが観察された。
• スカラー場モデルはCPLパラメータ空間にマッピングされ、ΛCDM点（w = -1, w_a = 0）に近い位置にあり、大部分が1σ信頼領域内に位置していた。
• 本研究は、現在のデータが動的ダークエネルギーモデルを支持していないこと、そして現在の観測的制約のもとでΛCDMモデルが最も妥当な宇宙論的フレームワークのままであることを確認した。