[論文レビュー] Cosmological signatures of ultralight dark matter with an axionlike potential

Francisco X. Linares Cedeño, Alma X. González‐Morales+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 98被引用数 55

ひとこと要約

本稿は、CLASSボルツマンコードを用いて宇宙論的進化をシミュレートすることで、現実的な三角関数的ポテンシャルを有する超軽量アクシオンダークマターを調査する。非線形性がアクシオン場の振動を遅らせる一方で、tachyonic不安定性を引き起こし、小スケールパワースペクトルにピークを印字する。これは、Ly-αフォrest観測とアクシオンスターダイナミクスにテスト可能なシグネチャーを提供する。

ABSTRACT

Nonlinearities in a realistic axion field potential may play an important role in the cosmological dynamics. In this paper we use the Boltzmann code CLASS to solve the background and linear perturbations evolution of an axion field and contrast our results with those of CDM and the free axion case. We conclude that there is a slight delay in the onset of the axion field oscillations when nonlinearities in the axion potential are taken into account. Besides, we identify a tachyonic instability of linear modes resulting in the presence of a bump in the power spectrum at small scales. Some comments are in turn about the true source of the tachyonic instability, how the parameters of the axionlike potential can be constrained by Ly-$\alpha$ observations, and the consequences in the stability of self-gravitating objects made of axions.

研究の動機と目的

• 簡略化された二次ポテンシャルではなく、現実的な三角関数的ポテンシャルを有する超軽量アクシオンダークマターの宇宙論的進化を研究すること。
• アクシオンポテンシャルの非線形性が、自由アクシオンおよびCDMモデルと比較して、背景ダイナミクスおよび線形摂動に与える影響を調査すること。
• 非二次的ポテンシャルに起因するtachyonic不安定性に起因する観測可能なシグネチャー（特に小スケールパワースペクトル）を特定すること。
• Ly-αフォレスト観測を用いたアクシオンパラメータの制約と、自己重力的アクシオン対象の安定性への影響を評価すること。
• スカラー場および摂動の完全なダイナミカルシステムの進化を組み込んだ、改良版CLASSコードによる正確な数値解を提供すること。

提案手法

• スカラー場の進化と摂動を記述するための極座標および新しい変数（θ, y₁, α, ϑ）を用いて、背景および線形摂動方程式を動的系に変換した。
• アクシオン場の進化および摂動の数値的解法のために、修正版のボルツマンコードCLASSを用い、宇宙時間にわたる動的系を数値的に解いた。
• 場の振動開始およびアクシオン密度パラメータの制約に基づく初期条件を設定し、z=0におけるΩφ0に一致させるためにシューティング法を用いた。
• 摂動ϕ(k,t)のフーリエモードに対する線形化されたクライン＝ゴルドン方程式を、¯hを介して計量摂動を組み込んで解いた。
• 密度対比変数δ₀およびδ₁の進化を追跡し、構造形成および不安定性の成長を分析した。
• λ = 3/(κ²f²)という崩壊定数パラメータの異なる値の範囲（現実的から極端な領域まで）で結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクシオンポテンシャルの非線形性は、宇宙論的文脈において場の振動の開始および進化にどのように影響するか？
• RQ2 三角関数的ポテンシャルに起因するtachyonic不安定性は、物質パワースペクトルにどのような観測可能なシグネチャーをもたらすか？
• RQ3 Ly-αフォレスト観測は、アクシオン様ポテンシャルのパラメータをどの程度制約できるか？
• RQ4 非二次的ポテンシャルの存在は、自己重力的アクシオン対象の安定性にどのように影響するか？
• RQ5 三角関数的ポテンシャルを有するアクシオンダークマターの宇宙論的ダイナミクスは、自由アクシオンおよびCDMとどのように異なるか？

主な発見

• アクシオンポテンシャルの非線形性により、自由アクシオンの場合と比較して場の振動開始が遅れる。この遅れは、崩壊定数パラメータλが大きいほど顕著になる。
• 線形摂動においてtachyonic不安定性が発生し、小スケール物質パワースペクトルに特徴的なピークが印字される。
• パワースペクトルのピークの振幅およびスケールは、特にλおよびアクシオン質量mφに依存する。
• mφ = 10⁻²² eVのファイドーシャルモデルでは、k ≈ 10⁻² Mpc⁻¹にピークが現れ、不安定性は初期物質時代に急速に成長する。
• 不安定性の原因は、ポテンシャルの最小値付近の曲率に起因し、特定のモードでは有効質量が負数になることにある。
• Ly-αフォレスト観測からの制約は、fおよびmφの許容パラメータ空間を、特にλ > 10⁴の場合に、排除または精錬可能である。