[論文レビュー] Is it possible to consider Dark Energy and Dark Matter as a same and unique Dark Fluid?

Alexandre Arbey|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ダークマターとダークエネルギーが別個の成分ではなく、時間的に変化する状態方程式を示す単一の流体の異なる顕現であると仮定する統一的ダーク流体モデルを提案する。タイプIa超新星、宇宙マイクロ波背景放射、大規模構造、ビッグバン核合成からの観測制約を用いて、そのような流体が現在の宇宙論的データを再現可能であることを示している。これは、スケール依存の性質を示す単一のダーク流体—宇宙スケールでは反発的だが、局所的スケールでは引力的—が、ダークマターとダークエネルギーの両方の効果を説明可能である可能性を示唆している。

ABSTRACT

In the standard model of cosmology, the present evolution of the Universe is determined by the presence of two components of unknown nature. One of them is referenced as ``dark matter'' to justify the fact that it behaves cosmologically like usual baryonic matter, whereas the other one is called ``dark energy'', which is a component with a negative pressure. As the nature of both dark components remains unknown, it is interesting to consider other models. In particular, it seems that the cosmological observations can also be understood for a Universe which does not contain two fluids of unknown nature, but only one fluid with other properties. To arrive to this conclusion, we will review the observational constraints from supernovae of type Ia, cosmic microwave background, large scale structures, and the theoretical results of big-bang nucleosynthesis. We will try to determine constraints on this unifying ``dark fluid'', and briefly review different possibilities to build models of dark fluid.

研究の動機と目的

• ダークマターとダークエネルギーが時間的に変化する状態方程式を示す単一の流体成分に統合可能かどうかを調査すること。
• 2つの別個の成分によって説明されている現在の主要な宇宙論的観測を、単一のダーク流体が再現可能かどうかを検証すること。
• タイプIa超新星、CMB、大規模構造、および核合成データから、そのような統一的ダーク流体の性質に関する観測的制約を導出すること。
• 不均一性の影響により、宇宙スケールでは反発的（負の圧力）だが、局所スケールでは物質に似た引力的挙動を示すダーク流体の可能性を検討すること。
• 特にスカラー場モデルを含む、このような二重スケール挙動を実現する理論的枠組みを提案すること。

提案手法

• 全エネルギー密度ρと圧力Pをパラメータ化した単一のダーク流体成分に加え、放射、バリオン、標準物質を含むフレリュエ・レミートルモデルを定式化する。
• ダーク流体の状態方程式P_D = ω_D ρ_Dを用い、ω_Dが時間的に変化することを許容する標準のフレリュエ方程式を適用する。
• タイプIa超新星（SNe Ia）、宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の不均一性、大規模構造（LSS）のクラスタリング、ビッグバン核合成（BBN）の観測データを用いてモデルを制約する。
• 調和ゲージにおける線形摂動理論を用いて重力ポテンシャルΦを分析し、エネルギー運動量テンソルT_{μν} = (P+ρ)U^μU^ν - Pg^{μν} からS_{μν}を導出する。
• 空間平均化を導入し、宇宙スケールの挙動（ρ^cosmo, P^cosmo）と局所的不均一性（δρ, δP）を区別することで、異なるスケールで異なる有効状態方程式を可能にする。
• 局所的構造におけるニュートンポテンシャルΦ ≈ -G ∫ δρ(r′)/|r−r′| d³r′ を導出し、δP ≈ 0 かつ δρ > 0 の場合に物質に似た挙動が現れることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的に変化する状態方程式を示す単一のダーク流体が、観測された宇宙膨張の歴史と大規模構造形成を再現可能か？
• RQ2 現在の観測—SNe Ia、CMB、LSS、BBN—は、2成分モデル（ダークマター＋ダークエネルギー）と単一のダーク流体モデルをどの程度区別できるか？
• RQ3 不均一性の影響により、宇宙スケールでは反発的（負の圧力）だが、局所スケールでは物質に似た引力的挙動を示すダーク流体は可能か？
• RQ4 ビッグバン核合成から得られる観測されたバリオン密度は、ダーク流体の挙動と組成にどのような制約を課えるか？
• RQ5 特にスカラー場モデルを含む、スケールに応じて物質的挙動からダークエネルギー的挙動に遷移するダーク流体を実現する理論的モデルは何か？

主な発見

• 統一的ダーク流体モデルは、標準的な2成分モデルと同様に、観測された宇宙膨張歴史および大規模構造クラスタリングを再現可能である。
• SNe Ia、CMB、LSS、BBNからの観測的制約は、単一のダーク流体を排除しないことから、そのモデルが観測的に妥当であることが示唆される。
• 観測された加速膨張に一致させるため、今日の状態方程式はω_D ≈ -1である必要があり、これはコスモロジカル定数またはクイントセスのような挙動と整合する。
• 局所スケールでは、局所的不均一性δρとδPが支配的になると、流体は物質に似た挙動（ω_D ≈ 0）を示すことができ、銀河環境におけるニュートン重力の回復が可能になる。
• このモデルは、ダーク流体の局所的密度がその宇宙論的平均（例えば、δρ ≫ ρ^cosmo）よりもはるかに高くなる可能性を示唆しており、銀河内での引力的効果の実現を可能にする。
• 適切なポテンシャルを持つスカラー場モデルは、この二重挙動を実現可能であり、場のダイナミクスが大スケールで負の圧力を生み、局所的には寒冷ダークマターに似た挙動を示す。