[論文レビュー] Easing Tensions with Quartessence

S. Camera, M. Martinelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙のCMBデータと後期の大型スケール構造観測の間の矛盾を解消するための解決策として、ダークマターとダークエネルギーの両方を模倣する1つの統一されたダークセクター成分「クォルテッセンス」を提案する。非ゼロの音速を導入することで、小スケールでの構造成長が抑制され、プランクCMBと低赤方偏移LSSデータの間の$3.4\sigma$の矛盾が軽減される。これは、1つのダーク成分に限定された物理的枠組み内で、特異な物理理論を必要とせずに、矛盾を効果的に解消するものである。

ABSTRACT

Tensions between cosmic microwave background (CMB) observations and the growth of the large-scale structure (LSS) inferred from late-time probes pose a serious challenge to the concordance $\Lambda$CDM cosmological model. State-of-the-art CMB data from the Planck satellite predicts a higher rate of structure growth than what preferred by low-redshift observables. Such tension has hitherto eluded conclusive explanations in terms of straightforward modifications to $\Lambda$CDM, e.g. the inclusion of massive neutrinos or a dynamical dark energy component. Here, we investigate `quartessence' models, where a single dark component mimics both dark matter and dark energy. We show that such models greatly alleviate the tension between high and low redshift observations, thanks to the non-vanishing sound speed of quartessence that inhibits structure growth at late times on scales smaller than its corresponding Jeans' length. In particular, the $3.4\sigma$ tension between CMB and LSS observables is thoroughly reabsorbed. For this reason, we argue that quartessence deserves further investigation and may lead to a deeper understanding of the physics of the dark Universe.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のCMB観測と低赤方偏移の大型スケール構造（LSS）データの間の持続的な矛盾に対処すること。
• 統一されたダークセクター・モデル、すなわちクォルテッセンスが、宇宙構造の成長率の不一致をどのように解消できるかを調査すること。
• クォルテッセンスが非ゼロの音速を持つ場合、小スケールでの構造形成が自然に抑制され、調整なしに矛盾が軽減されるかどうかを評価すること。

提案手法

• 本研究では、1つのスカラー場がダークマターとダークエネルギーの両方の性質を示すクォルテッセンスモデルを導入する。
• 音速がジェインズ波長スケールを定義し、この長さ以下のスケールでの構造成長を制限する。
• 修正された宇宙論的枠組みにおける有効なエネルギー運動量テンソルと摂動方程式から、構造成長の理論的予測を導出する。
• モデルの予測は、プランクCMBデータと、弱引力レンズ効果や銀河クラスタリングを含む後期のLSS観測と比較される。
• ベイズ的パrameter推定法を用いて、クォルテッセンスが観測データとどの程度整合するかを評価する。
• 音速を自由パrameterとして扱い、自然に小スケールパワーを抑制し、成長率の不一致を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターとダークエネルギーの両方の性質を示す1つのダーク成分が、CMBとLSS観測の間の矛盾を軽減できるか？
• RQ2 クォルテッセンスにおける非ゼロの音速が、小スケールでの大規模構造の成長にどのように影響するか？
• RQ3 クォルテッセンスは、プランクCMBデータと低赤方偏移LSSプローブの間の$3.4\sigma$の矛盾をどの程度軽減できるか？
• RQ4 クォルテッセンスの導入は、初期宇宙のCMB非一様性測定と整合性を保ちつつ、後期の構造成長の不一致を解消できるか？
• RQ5 クォルテッセンスは、質量のあるニュートリノや動的ダークエネルギーといった標準$\Lambda$CDMの拡張と比較して、妥当な代替案と見なせるか？

主な発見

• CMBとLSS観測の間の$3.4\sigma$の矛盾は、クォルテッセンスの枠組み内で完全に解消された。
• クォルテッセンスの非ゼロの音速が、ジェインズ波長以下のスケールでの構造成長を抑制し、後期の成長率を低下させた。
• クォルテッセンスは、1つのダーク成分に限定された枠組み内で、プランクCMBデータと低赤方偏移LSSプローブを自然に一致させた。
• 音速が背景宇宙の進化を顕著に変化させないため、初期宇宙のCMB制約とモデルは整合性を保った。
• 本研究は、クォルテッセンスが現在の宇宙論的矛盾を解消する有力な候補であると結論づけ、さらなる調査を要する。
• 音速による抑制という物理的メカニズムによって、調整のいらない自然な方法で矛盾が解消された。