[論文レビュー] Falsifying Field-based Dark Energy Models

Genly León, Yoelsy Leyva+3 more|ArXiv.org|Dec 2, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 41被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、構造形成からの観測的制約と力学系解析を用いて、場に基づく暗黒エネルギーモデル—特にクイントムおよびクイントインスタントのシナリオ—を評価している。クイントムモデルは線形およびやや非線形な構造形成を妥当に予測できるが、クイントインスタントモデルは赤方偏移 >1 の非線形領域で失敗する。両者とも、増強された降着による急激な構造形成ピークを引き起こす可能性がある、きつい（stiff-like）力学的振る舞いを示している。

ABSTRACT

We survey the application of specific tools to distinguish amongst the wide variety of dark energy models that are nowadays under investigation. The first class of tools is more mathematical in character: the application of the theory of dynamical systems to select the better behaved models, with appropriate attractors in the past and future. The second class of tools is rather physical: the use of astrophysical observations to crack the degeneracy of classes of dark energy models. In this last case the observations related with structure formation are emphasized both in the linear and non-linear regimes. We exemplify several studies based on our research, such as quintom and quinstant dark energy ones. Quintom dark energy paradigm is a hybrid construction of quintessence and phantom fields, which does not suffer from fine-tuning problems associated to phantom field and additionally it preserves the scaling behavior of quintessence. Quintom dark energy is motivated on theoretical grounds as an explanation for the crossing of the phantom divide, i.e. the smooth crossing of the dark energy state equation parameter below the value -1. On the other hand, quinstant dark energy is considered to be formed by quintessence and a negative cosmological constant, the inclusion of this later component allows for a viable mechanism to halt acceleration. We comment that the quinstant dark energy scenario gives good predictions for structure formation in the linear regime, but fails to do that in the non-linear one, for redshifts larger than one. We comment that there might still be some degree of arbitrariness in the selection of the best dark energy models.

研究の動機と目的

• 力学系理論と観測データを用いて、実現可能な場に基づく暗黒エネルギーモデルを区別すること。
• 宇宙の加速膨張と構造形成を説明する上で、クイントムおよびクイントインスタントの暗黒エネルギー枠組みの妥当性を評価すること。
• これらのモデルにおけるきつい（stiff-like）初期および終末期の力学的振る舞いが、物理的に不自然な構造形成の兆候を引き起こすかどうかを調査すること。
• クイントインスタントモデルの線形および非線形構造形成領域におけるロバストネスをテストすること。
• f(R)モデルとの力学的同等性を通じて、暗黒エネルギーと修正重力のデゲネラシーを探索すること。

提案手法

• 平坦、開、閉の空間幾何におけるクイントムおよびクイントインスタント宇宙論の臨界点、アトラクター、安定性を解析するため、力学系理論を適用する。
• 正規化された変数を用いた位相空間解析により、初期特異点から未来の漸近的状態への進化を研究する。
• 単調関数を用いて、位相空間内での周期的、ホモクリニック的、再帰的軌道の存在を除外する。
• 自己同型微分方程式系（ASODE）の数値積分を実行し、典型的な宇宙論的振る舞いを可視化する。
• 大規模構造に関する観測データ（線形および非線形摂動）とモデル予測を比較する。
• 漸近的領域におけるハッブルパラメータ H の振る舞いを分析し、未来のアトラクターおよび特異点を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力学系解析は、異なる空間曲率のもとでクイントムおよびクイントインスタントの暗黒エネルギーモデルに安定なアトラクターを同定できるか？
• RQ2 クイントムおよびクイントインスタントモデルは、赤方偏移 >1 の領域において、線形および非線形構造形成をどの程度うまく予測できるか？
• RQ3 きつい（stiff-like）状態方程式の振る舞いが、これらのモデルにおける力学的振る舞いおよび構造形成に果たす役割は何か？
• RQ4 摂動に関する観測的制約が、暗黒エネルギーモデルと f(R) 修正重力の間のデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ5 クイントインスタントモデルはなぜ線形領域では良好に機能するが、非線形領域では構造形成を再現できないのか？

主な発見

• クイントインスタントの暗黒エネルギーモデルは、過去および未来の両方できつい領域を予測しており、漸近的極限で H → ±∞ となるため、収縮の可能性がある。
• 平坦および負の曲率を持つクイントインスタントモデルでは、未来のアトラクターがきつい（stiff-like）であり、ハッブルパラメータが発散する。その力学的振る舞いはパラメータ λ² および γ に依存する。
• クイントインスタントモデルは大規模構造の線形領域をよく再現するが、赤方偏移 >1 の非線形領域では観測と一致しない。
• クイントムモデルは線形およびやや非線形領域において構造形成を妥当に予測できるが、より高い赤方偏移では失敗する。
• クイントムおよびクイントインスタントモデルの両者とも、類似した定性的な力学的振る舞いを示しており、過去および未来の両方できつい（stiff-like）進化が支配的である。これは、増強された降着による急激な構造形成ピークを引き起こす可能性を示唆している。
• クイントムモデルでは、ファントム場の導入により w = -1 を越えることが微調整なしに可能であるが、クイントインスタントモデルでは負の宇宙定数を用いて加速を停止させている。しかしこの方法は、非線形構造形成において力学的不整合を引き起こす。