[論文レビュー] Inhomogeneous Chaplygin Gas Cosmology

Neven Bilić, Robert J. Lindebaum+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2003

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非一様なチャプリンギンガスが重力的崩壊を経て、寒冷なダークマター凝集体と残余ガスに進化する一様な宇宙論的モデルを提案する。ゼルドビッチ近似と修正された球対称崩壊モデルを用い、得られる混合系が観測されたCMBおよびバリオンパワー スペクトルを再現することを示し、チャプリンギンガスが有効な統一枠組みであることを検証する。

ABSTRACT

The hypothesis that dark matter and dark energy are unified through the Chaplygin gas is reexamined. Using a generalization of the spherical model which incorporates effects of the acoustic horizon we show that an initially perturbative Chaplygin gas evolves into a mixed system containing cold dark matter in the form of gravitational condensate. Furthermore, we demonstrate that the observed CMB angular and baryonic power spectra are reproduced.

研究の動機と目的

• チャプリンギンガスが重力的凝縮を通じてダークマターとダークエネルギーを統一できるかを調査すること。
• チャプリンギンガスの初期摂動が、観測に一致する凝集体と残余ガスの混合系に進化するかを評価すること。
• 凝集体と残余ガスの両方を含めることで、観測されたCMBの角スペクトルおよびバリオンパワー スペクトルが再現されるかをテストすること。
• 有限な音速と音響ホライズン効果を組み込むことで、チャプリンギンガスが統一されたダークセクター候補として妥当であるかを検証すること。

提案手法

• 非一様なチャプリンギンガスにゼルドビッチ近似を適用し、非線形構造形成を歪みテンソルを用いてモデル化する。
• 修正された球対称崩壊モデルを用い、パラメータ $ a_k = (d_s k)^{-2/7} a $ を通じてジェイムス波長と音響ホライズンを組み込む。
• 共動座標系において連続の式とオイラー＝ポisson方程式を解き、密度対比 $ \delta_k(a) $ は非線形常微分方程式（式8）に従う。
• 残余チャプリンギンガスは背景密度 $ \bar{\rho}_{\rm gas}(a) = \rho_{\rm cr} \Omega_{\rm gas} \left[ v^2 + (1-v^2)/a^6 \right]^{1/2} $ と速度分散 $ \bar{v}^2(a) $ を用いてパラメータ化する。
• 凝集体からの重力ポテンシャルは寒冷ダークマターとして扱い、8%の非凝縮確率によって $ \Omega_{\rm CDM} $ と $ v^2 $ が制約される。
• CMBおよびバリオンパワー スペクトルは、WMAPデータに一致するように調整されたパラメータを用いた修正版CMBfastコードで計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャプリンギンガスは摂動的初期条件から、重力的凝集体と残余ガスの混合系に進化できるか？
• RQ2 凝集体と残余ガスの両方を含めることで、観測されたCMBの角スペクトルが再現できるか？
• RQ3 2dFGRS窓関数で畳み込まれた場合、チャプリンギンガスモデルにおけるバリオンパワー スペクトルは観測データと一致するか？
• RQ4 すべての3つの主軸に沿って非凝縮の確率が8%であるという観測された構造形成の閾値は、モデルと整合するか？

主な発見

• ゼルドビッチ近似により、歪みテンソルの正の固有値は、チャプリンギンガスが寒冷ダークマターとして振る舞うカウスティクスを形成する一方、負の固有値は $ \rho \to \sqrt{A} $ に近づく空洞を形成し、ダークエネルギーを模倣する。
• 球対称モデル（式8）により、臨界 $ \delta_k(a_{\rm eq}) $ を超える摂動は無限大に成長し、重力的崩壊を示す一方、臨界未満の摂動は音響ホライズンによって抑制される。
• 臨界 $ \delta_k(a_{\rm eq}) $ は $ a_k $ に強く依存し、球対称崩壊の条件付き確率のピークと整合的である。
• 混合チャプリンギンガスと凝集体モデルのCMB角スペクトルは、予備的なパラメータセットでさえも、WMAPデータと定性的に一致する。
• 2dFGRS窓関数で畳み込まれ、正規化された混合チャプリンギンモデルにおけるバリオンパワー スペクトルは、利用可能な $ k $ 範囲で観測データとよく一致する。
• パラメータ $ v^2 $ は非凝縮の8%の確率から推定され、$ \Omega_{\rm gas} \sqrt{1-v^2} (\Omega_{\rm CDM} + \Omega_{\rm gas} \sqrt{1-v^2})^{-1} \simeq 0.08 $ が得られ、モデルのパラメータが制約される。