[論文レビュー] Dark energy and neutrino mass constraints from weak lensing, supernova, and relative galaxy ages

Yan Gong, Tong-Jie Zhang+2 more|ArXiv.org|Oct 20, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、弱レンズ効果、Ia型超新星、バリオン音響振動、相対的銀河年齢のデータを用いて、ダークエネルギーの状態方程式 $w$ と全ニュートリノ質量 $∑ m_{\nu}$ を制約した。これらのデータセットを組み合わせることで、$w$ と $∑ m_{\nu}$ 間のデゲネラシーを解消し、95.5%信頼水準で $w = -1.00^{+0.10}_{-0.12}$ および $∑ m_{\nu} \leq 0.8$ eV の上限が得られた。これはWMAP 5年分の制約と整合的である。

ABSTRACT

We use the current weak lensing data to constrain the equation of state of dark energy $w$ and the total mass of massive neutrinos $\sum m_ν$. The constraint on $w$ would be weak if only the current weak lensing data are used. With the addition of other observational data such as the type Ia supernovae, baryon acoustic oscillation, and the high redshift Hubble parameter data $H(z)$ derived from relative galaxy ages to break the degeneracy, the result is significantly improved. For the pure $w$CDM model without massive neutrinos, we find $w=-1.00^{+0.10}_{-0.12}$. For the $w$CDM model with the massive neutrino component, we show that the constraint on $w$ is almost unchanged, there is very little degeneracy between $w$ and $\sum m_ν$. After marginalizing over other parameters, we obtain the probability distribution function of $\sum m_ν$, and find that the upper limit is $\sum m_ν \leq 0.8$ eV at 95.5% confidence level for the combined data sets. Our constraints of $w$ and $\sum m_ν$ are both compatible and comparable with the constraints obtained from the WMAP 5-year data.

研究の動機と目的

• 現在の弱レンズデータを用いて、ダークエネルギーの状態方程式 $w$ と全ニュートリノ質量 $\sum m_{\nu}$ の制約を改善すること。
• Ia型超新星、バリオン音響振動、相対的銀河年齢からのハッブル定数測定といった追加の宇宙論的プローブを弱レンズと組み合わせることで、$w$ と $\sum m_{\nu}$ 間のデゲネラシーを解消すること。
• マスの大きいニュートリノがダークエネルギーの制約に与える影響を評価し、ニュートリノ質量を含む $w$ CDM モデルの妥当性を検証すること。
• WMAP 5年分のデータと同等の、最新で競争力のある $w$ と $\sum m_{\nu}$ の制約を提供すること。
• ニュートリノの自由行程効果を考慮した非線形物質パワースペクトルモデルが、宇宙論的パラメータ推定に適しているかを検証すること。

提案手法

• 大規模構造と物質分布の主要なプローブとして、弱レンズのシアパワースペクトルを用い、宇宙構造の成長に敏感である。
• Peacock-Doddsのフィッティング式に基づく非線形物質パワースペクトルモデルを採用し、定常状態方程式 $w$ を有するダークエネルギーを考慮するため、Maら（1999）の成長因子を修正して適用した。
• 質量の大きなニュートリノによる自由行程効果によって、小スケールでの線形パワースペクトルが抑制されることを、スケール $k_{\rm nr} \approx 0.026 (m_\nu/1\,{\rm eV})^{1/2} \Omega_m^{1/2} h$ を用いて表現した。
• 小スケール $k > k_{\rm nr}$ において、線形パワー スペクトルを $P_L^\nu = P_L + \Delta P_L$ と修正し、$\Delta P_L/P_L \approx -8 \Omega_\nu / \Omega_m$ とした。
• MCMC（マルコフ連鎖モンテカルロ）法を用いて、$w$、$\sum m_\nu$、$\Omega_m$、$n_s$、$h$ などの宇宙論的パラメータの同時事後分布をサンプリングした。
• 弱レンズデータに加え、SNe Ia、BAO、相対的銀河年齢からの $H(z)$ を組み合わせることで、パラメータのデゲネラシーを解消し、制約を強化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱レンズデータのみを用いた場合、ダークエネルギーの状態方程式 $w$ に対する制約はどの程度きついか？
• RQ2 マスの大きなニュートリノは、宇宙論的パラメータ推定において $w$ とどの程度デゲネラシーを示すか？
• RQ3 弱レンズ、SNe Ia、BAO、および相対的銀河年齢からのデータを組み合わせることで、$w$ と $\sum m_{\nu}$ の制約が著しく改善されるか？
• RQ4 すべてのデータセットを組み合わせた場合、全ニュートリノ質量 $\sum m_{\nu}$ の95.5%信頼水準での上限は何か？
• RQ5 結果がWMAP 5年分のデータと比較して、$w$ と $\sum m_{\nu}$ の制約においてどのように一致するか？

主な発見

• 質量の大きなニュートリノを含まない純粋な $w$ CDM モデルにおいて、$w$ の制約は $w = -1.00^{+0.10}_{-0.12}$ となり、コスモロジカル定数と整合的であることが示された。
• 質量の大きなニュートリノを含めても $w$ の制約にほとんど影響がなく、$w$ と $\sum m_{\nu}$ 間のデゲネラシーは非常に小さいことがわかった。
• 他のパラメータを周辺化した結果、全ニュートリノ質量の95.5%信頼水準での上限は $\sum m_{\nu} \leq 0.8$ eV であった。
• 弱レンズ、SNe Ia、BAO、および相対的銀河年齢からの $H(z)$ を組み合わせたデータセットは、弱レンズ単体の結果と比較して、パラメータの制約を顕著に改善した。
• $w$ と $\sum m_{\nu}$ の制約は、いずれもWMAP 5年分のデータから得られた結果と整合的かつ同等のものであった。
• ニュートリノの自由行程効果を組み込んだ非線形物質パワー スペクトルモデルは、既存のシミュレーションと照合され、$w < -0.5$ の範囲で一貫した結果を示した。