[論文レビュー] Cosmological perturbations in the interacting dark sector: Observational constraints and predictions

Joseph P. Johnson, Archana Sangwan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ダークエネルギーとダークマターのための相互作用場理論モデルを提案し、ハッブルパラメータ、BAO、SN Ia、HIIGの4つの宇宙論的データセットに、非相互作用モデルよりも良好に適合することを示している。このモデルはハッブル定数の矛盾を軽減し、最適適合でのハッブル定数は H₀ = 69.9⁺⁰.⁴⁶₋₁.⁰² km s⁻¹ Mpc⁻¹ を得ており、特に z < 20、特に z < 5 において計量摂動に顕著な差を予測しており、今後のミッションによる検証が可能である。

ABSTRACT

We consider an interacting field theory model that describes the interaction between dark energy - dark matter interaction. Only for a specific interaction term, this interacting field theory description has an equivalent interacting fluid description. For inverse power law potentials and linear interaction function, we show that the interacting dark sector model is consistent with $ extit{four cosmological data sets}$ -- Hubble parameter measurements (Hz), Baryonic Acoustic Oscillation data (BAO), Supernova Type Ia data (SN), and High redshift HII galaxy measurements (HIIG). More specifically, these data sets prefer a negative value of interaction strength in the dark sector and lead to the best-fit value of Hubble constant $H_0 = 69.9^{0.46}_{1.02}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. Thus, the interacting field theory model $ extit{alleviates the Hubble tension}$ between Planck and these four cosmological probes. Having established that this interacting field theory model is consistent with cosmological observations, we obtain quantifying tools to distinguish between the interacting and non-interacting dark sector scenarios. We focus on the variation of the scalar metric perturbed quantities as a function of redshift related to structure formation, weak gravitational lensing, and the integrated Sachs-Wolfe effect. We show that the difference in the evolution becomes significant for $z < 20$, for all length scales, and the difference peaks at smaller redshift values $z < 5$. We then discuss the implications of our results for the upcoming missions.

研究の動機と目的

• 現在の宇宙論的観測と整合するダークエネルギーとダークマターのための相互作用場理論モデルの構築を目的とする。
• このモデルが、プランクと後期宇宙論的プローブとの間のハッブル定数の矛盾を解消できるかどうかを検証することを目的とする。
• 相互作用的および非相互作用的ダークセクターのシナリオにおけるスカラー計量摂動の観測可能な差を同定することを目的とする。
• 特に構造形成および弱引力レンズ効果に関して、今後の実験に対する定量的予測を提供することを目的とする。
• 4つの独立した宇宙論的データセット（H(z)、BAO、SN Ia、HIIG）を用いて、相互作用場理論モデルの妥当性を評価することを目的とする。

提案手法

• ダークエネルギーとダークマター場の間の線形相互作用関数と逆べき乗ポテンシャルを持つ相互作用場理論モデルを構築する。
• 特定の相互作用項に対してのみ等価流体記述を導出し、標準的宇宙論フレームワークとの比較を可能にする。
• ハッブルパラメータ、BAO、SN Ia、HIIGの宇宙論的データセットを用いて、尤度解析によりモデルパラメータを制約する。
• 赤方偏移にわたる相互作用モデルにおけるスカラー計量摂動の進化を計算し、構造形成および弱引力レンズ効果に注目する。
• 相互作用モデルと非相互作用モデルにおける摂動進化の比較を行い、観測可能な差を同定する。
• 摂動差の赤方偏移依存性を分析し、特に z < 5 でピーク感度を示し、z < 20 で顕著なずれを示すことを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークセクターの相互作用場理論モデルは、ハッブルパラメータ、BAO、SN Ia、HIIGのデータを一貫して説明できるか？
• RQ2 非相互作用的ダークセクターと比較して、相互作用的ダークセクターのモデルはハッブル定数の矛盾を軽減するか？
• RQ3 どの赤方偏移で、相互作用モデルにおける計量摂動が非相互作用モデルから顕著に逸脱するか？
• RQ4 弱引力レンズ効果および統合サックス＝ウォルフ効果における相互作用的ダークセクターの観測可能なシグネチャーは何か？
• RQ5 近い将来のミッションは、摂動の進化に基づいて、相互作用的および非相互作用的ダークセクターのシナリオをどのように区別できるか？

主な発見

• 相互作用場理論モデルは、H(z)、BAO、SN Ia、HIIGの4つの宇宙論的データセットと整合的である。
• データは負の相互作用強度を好む傾向にあり、その結果、最適適合でのハッブル定数は H₀ = 69.9⁺⁰.⁴⁶₋₁.⁰² km s⁻¹ Mpc⁻¹ を得ており、ハッブル定数の矛盾が軽減されている。
• すべてのスケールで、赤方偏移 z < 20 において、相互作用的および非相互作用的モデルの間でスカラー計量摂動に顕著な差が生じる。
• 摂動進化の最大差は赤方偏移 z < 5 で発現し、この範囲が観測的テストの主要なターゲットとなる。
• 本モデルは、構造形成、弱引力レンズ効果、統合サックス＝ウォルフ効果に関する定量的予測を提供しており、今後の相互作用的および非相互作用的ダークセクターの区別に役立つ。
• 結果から、近い将来の宇宙論的ミッションが、赤方偏移 z < 20 の範囲、特に z < 5 の周辺で摂動の進化を測定することで、本モデルを検証できる可能性がある。