[論文レビュー] Instability in interacting dark energy and dark matter fluids

J. Väliviita, Elisabetta Majerotto+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 55

ひとこと要約

この論文は、定数wの相互作用的ダークエネルギーモデルを調査し、初期に相対論的摂動において、ダークマターへの弱い結合でさえも非断熱不安定性を引き起こすことを示している。この不安定性により、超ハッブルスケールで曲率摂動が発散し、標準的な断熱初期条件が無効化され、そうでない限り良好に動作するモデルに深刻な欠陥が明らかになる。

ABSTRACT

If dark energy interacts with dark matter, this gives a new approach to the coincidence problem. But interacting dark energy models can suffer from pathologies. We consider the case where the dark energy is modelled as a fluid with constant equation of state parameter w. Non-interacting constant-w models are well behaved in the background and in the perturbed universe. But the combination of constant w and a simple interaction with dark matter leads to an instability in the dark sector perturbations at early times: the curvature perturbation blows up on super-Hubble scales. Our results underline how important it is to carefully analyze the relativistic perturbations when considering models of coupled dark energy. The instability that we find has been missed in some previous work where the perturbations were not consistently treated. The unstable mode dominates even if adiabatic initial conditions are used. The instability also arises regardless of how weak the coupling is. This non-adiabatic instability is different from previously discovered adiabatic instabilities on small scales in the strong-coupling regime.

研究の動機と目的

• 定数状態方程式パラメータwを有する相互作用的ダークエネルギーモデルの安定性を調査すること。
• ダークエネルギーがダークマターに結合する際の、ダークセクターにおける相対論的摂動の挙動を分析すること。
• 特に初期に生じる不安定性を特定・特徴付けること。
• 過去の研究がなぜこの不安定性を見逃したのかを明確にすること、特に摂動の取り扱いが一貫していなかったことが原因である。

提案手法

• 定数状態方程式パラメータwを有する流体としてダークエネルギーをモデル化すること。
• 相対論的摂動枠組み内で、ダークエネルギーとダークマターの間の単純な線形相互作用を導入すること。
• 超ハッブル限界でのダークセクター摂動の連立式を解くこと。
• 相互作用の存在下での曲率摂動の増大を分析すること。
• 断熱初期条件の下での結果を比較し、不安定モードの優位性を評価すること。
• 相対論的摂動理論を用いて、ダークセクター内での不安定性の原因を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターへの線形結合を有する定数wのダークエネルギーモデルは、相対論的摂動のもとで安定性を保つのか？
• RQ2 相互作用的ダークエネルギーモデルにおいて、超ハッブルスケールでの曲率摂動の挙動はいかなるものか？
• RQ3 なぜ過去の研究ではこの不安定性が検出されなかったのか？どのような仮定がその欠落を招いたのか？
• RQ4 ダークエネルギーとダークマターの結合が極めて弱くても、この不安定性は持続するのか？
• RQ5 この非断熱不安定性は、従来知られていた強結合領域における断熱不安定性とどのように異なるのか？

主な発見

• 定数wの相互作用的ダークエネルギーモデルでは、超ハッブルスケールで曲率摂動が無限に増大する。
• ダークエネルギーとダークマターの結合が極めて弱くても、この不安定性は生じる。
• 断熱初期条件を適用しても、不安定モードが進化を支配する。
• この不安定性は非断熱的であり、強結合領域における従来の断熱不安定性とは明確に異なる。
• 過去の研究では、ダークセクターにおける相対論的摂動の取り扱いが一貫していなかったため、この不安定性が見過ごされた。