[論文レビュー] Is the Interacting Dark Matter Scenario an Alternative to Dark Energy

Spyros Basilakos, M. Plionis|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ダークエネルギーを導入せずに宇宙の加速膨張を説明できる相互作用的ダークマター（IDM）のシナリオが成立するかを調査している。衝突項を含むボルツマン方程式を用いてダークマターをモデル化することで、生成と消失の間の非平衡状態が粒子生成を優位にすることで、有効な負の圧力源が生じ、その結果、クインテッセンスやΛCDMモデルと同等の加速膨張が実現可能であることが示された。観測データは、小さな有効な消失項を支持している。

ABSTRACT

We study the global dynamics of the universe within the framework of the Interacting Dark Matter (IDM) scenario. Assuming that the dark matter obeys the collisional Boltzmann equation, we can derive analytical solutions of the global density evolution, which can accommodate an accelerated expansion, equivalent to either the {\em quintessence} or the standard $\Lambda$ models, with the present time located after the inflection point. This is possible if there is a disequilibrium between the DM particle creation and annihilation processes with the former process dominating, which creates an effective source term with negative pressure. Comparing the predicted Hubble expansion of one of the IDM models (the simplest) with observational data we find that the effective annihilation term is quite small, as suggested by a variety of other recent experiments.

研究の動機と目的

• 相互作用的ダークマター（IDM）がダークエネルギーを仮定せずに、観測された宇宙の加速膨張を説明できるかどうかを調査すること。
• ダークマター生成と消失の過程における非平衡状態が、有効な負の圧力源を生成できるかどうかを特定すること。
• シンプルなIDMモデルによる予測されるハッブル膨張を観測データと比較し、その妥当性を評価すること。
• 現在の宇宙論的観測を用いて、IDMフレームワークにおける有効な消失項を制約すること。

提案手法

• 衝突項を含むボルツマン方程式を用いて、粒子生成と消失の過程をダークマターのダイナミクスとしてモデル化すること。
• IDMフレームワーク下での全ダークマター密度の進化に対して、解析的解を導出すること。
• 生成率と消失率の不均衡に起因する有効なソース項を導入し、これが負の圧力をもたらすことを示すこと。
• 最もシンプルなIDMモデルを用いて、赤方偏移の関数として予測されるハッブル膨張率を計算すること。
• モデルの予測を観測的なハッブルデータと比較し、有効な消失項を制約すること。
• IDMシナリオが現在の宇宙論的観測、特に消失項の大きさに関して一貫しているかどうかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互作用的ダークマター（IDM）シナリオは、ダークエネルギーを仮定せずに、観測された宇宙の加速膨張を再現できるか？
• RQ2 ダークマター生成と消失の非平衡状態が、有効な負の圧力を生成する役割を果たすか？
• RQ3 IDMモデルで予測されるハッブル膨張は、観測データとどのように比較されるか？
• RQ4 IDMフレームワークにおける有効な消失項の大きさは何か？ 他の実験的制約と比較するとどうなるか？
• RQ5 IDMシナリオは、ΛCDMモデルやクインテッセンスモデルの代替として、現象論的に妥当な可能性を有するか？

主な発見

• IDMシナリオは、粒子生成が消失を上回る非平衡状態を介して、クインテッセンスやΛCDMモデルと同等の加速膨張を実現可能である。
• この不均衡に起因する有効なソース項は、負の圧力をもたらし、宇宙の加速を駆動する。
• 最もシンプルなIDMモデルによる予測ハッブル膨張は、現在の観測データと整合的である。
• IDMモデルにおける有効な消失項は非常に小さく、他の最近の実験的制約とも一致している。
• 消失過程が劣勢のまま保たれる限り、ダークエネルギーが動的なダークマター相互作用に置き換えられる可能性が支持される。