[論文レビュー] Dark Matter and Structure Formation in the Universe

Joel R. Primack|ArXiv.org|Jul 25, 1997

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 13被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、膨張宇宙における重力的崩壊の枠組みの中で、宇宙構造形成におけるダークマターの役割をレビューし、特にコールドダークマター（CDM）および混合CDM＋ホットダークマター（CHDM）モデルに焦点を当てる。Hubble定数が高ければΛCDMモデルが好まれるが、臨界密度宇宙ではCHDMモデルが好まれる。両モデルとも、宇宙論的パラメータ、CMBデータ、銀河形成観測によって制約を受ける。

ABSTRACT

This chapter aims to present an introduction to current research on the nature of the cosmological dark matter and the origin of galaxies and large scale structure within the standard theoretical framework: gravitational collapse of fluctuations as the origin of structure in the expanding universe. General relativistic cosmology is summarized, and the data on the basic cosmological parameters ($t_o$ and $H_0 \equiv 100 h \kmsmpc$, $Ω_0$, $Ω_Λ$ and $Ω_b$) are reviewed. Various particle physics candidates for hot, warm, and cold dark matter are briefly reviewed, together with current constraints and experiments that could detect or eliminate them. Also included is a very brief summary of the theory of cosmic defects, and a somewhat more extended exposition of the idea of cosmological inflation with a summary of some current models of inflation. The remainder is a discussion of observational constraints on cosmological model building, emphasizing models in which most of the dark matter is cold and the primordial fluctuations are the sort predicted by inflation. It is argued that the simplest models that have a hope of working are Cold Dark Matter with a cosmological constant ($Λ$CDM) if the Hubble parameter is high ($h \gsim 0.7$), and Cold + Hot Dark Matter (CHDM) if the Hubble parameter and age permit an $Ω=1$ cosmology, as seems plausible in light of the data from the Hipparcos astrometric satellite. The most attractive variants of these models and the critical tests for each are discussed.

研究の動機と目的

• 大規模構造形成を説明するためのコールドダークマター（CDM）および混合CDM＋ホットダークマター（CHDM）モデルの妥当性を評価すること。
• Hipparcos衛星、クラスタの形状、ビッグバン核合成からの観測データを用いて、特にH₀、Ω₀、Ω_Λ、Ω_bの宇宙論的パラメータの制約を評価すること。
• CMB非一様性データ、銀河分布、高赤方偏移構造形成に対するΛCDMモデルとCHDMモデルの予測力の比較すること。
• 宇宙インフレーションおよびトポロジカルな欠陥が初期フラクチュエーションの起源に与える影響を検討すること。
• 現在の観測的制約および今後のデータの可能性に基づいて、最も有望なモデル（ΛCDM 対 CHDM）を特定すること。

提案手法

• 膨張宇宙を記述し、H₀、Ω₀、Ω_Λの制約を導出するために、Friedmann-Robertson-Walker（FRW）宇宙論的モデルを用いる。
• 一般相対性理論的宇宙論を適用して、年齢、膨張率、および平坦性と構造形成における宇宙定数（Λ）の役割を解釈する。
• axion、WIMPs、質量を持つニュートリノなどのホット・ウォーム・コールドダークマターの素粒子物理学的候補をレビューし、その検出可能性と制約を評価する。
• インフレーションモデルを初期密度フラクチュエーションの主な説明として分析し、トポロジカル欠陥のシナリオと対比する。
• 数値シミュレーションを用いて小スケール構造形成を調査し、CDMおよびCHDMモデルの予測を検証する。
• モデルの予測を観測データと比較する：COBE CMB非一様性、銀河回転曲線、クラスターバリオン分率、高赤方偏移構造形成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された宇宙背景放射の非一様性および大規模構造を最もよく説明するのは、ΛCDMモデルかCHDMモデルのどちらか？
• RQ2 Hipparcos衛星およびクラスタの形状からの制約は、Hubble定数およびΩ₀の好まれる値にどのように影響するか？
• RQ3 2つまたは3つのニュートリノ種を持つCHDMモデルは、CMBデータおよび小スケール構造観測において、純粋なCDMよりも優れていると見なせるか？
• RQ4 非ゼロの宇宙定数（Λ）は、星の年齢と関連して、宇宙の年齢と進化にどのような影響を与えるか？
• RQ5 現在のCDMおよびCHDMモデルのシミュレーションは、観測された銀河回転曲線およびボイド・フィラメントの形態をどの程度再現できるか？

主な発見

• Hubble定数h ≥ 0.7の場合、ΛCDMモデルが最良の候補である。これは、低Ω₀宇宙がその最も古い星よりも若いという年齢問題を回避するからである。
• 2つのニュートリノ種（N_ν = 2）を持つCHDMモデルは、COBE CMBデータ、クラスタの頻度、小スケール構造に対して、1つのニュートリノ種を持つモデルよりも良好なフィットを示す。
• 純粋なCDMモデル（sCDM）は理論的に洗練されているが、特に小スケールでの観測されたパワースペクトルと宇宙の年齢と矛盾する。
• N_ν = 2のCHDMモデルは、現在のニュートリノ質量に関する実験的データに適合しているが、高赤方偏移構造を再現する能力についてはまだ不明確である。
• ΛCDMおよびCHDMの両モデルは、観測と小スケールパワーの一致を図るための微調整または追加の物理的メカニズム（例えば、スケール依存のアンチバイアス）を必要としている。
• 近い将来に予定されているMAPおよびCOBRAS/SAMBAミッションは、CMB非一様性に関する決定的なデータを提供すると予想され、数年以内にΩ₀対Ω_Λの論争を解決する可能性がある。