[論文レビュー] Reconstruction of the interaction term between dark matter and dark energy using SNe Ia, BAO, CMB, H(z) and X-ray gas mass fraction

Freddy Cueva Solano, Ulises Nucamendi|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 113被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、SNe Ia、BAO、CMB、H(z)、X線ガス質量分率の複数の宇宙論的データセットに、チェビシェフ多項式展開を適用して、ダークマターとダークエネルギーの間の相互作用項を再構築する。その結果、最近の過去において、相互作用項が非相互作用ライン（Q=0）を正から負の値へと通過することが強く示唆され、初期にはダークエネルギーからダークマターへのエネルギー移動が、現在では逆にダークマターからダークエネルギーへのエネルギー移動が起こっていることが示唆される。また、この結果は、一致問題の顕著な緩和ができないことを示す制約をもたらす。

ABSTRACT

Recently, in [1] we developed a parametric reconstruction method to a homogeneous, isotropic and spatially flat Friedmann-Robertson-Walker (FRW) cosmological model filled of a fluid of dark energy (DE) with constant equation of state (EOS) parameter interacting with dark matter (DM). The reconstruction method is based on expansions of the general interaction term and the relevant cosmological variables in terms of Chebyshev polynomials which form a complete set orthonormal functions. In this article, we reconstruct the interaction function expanding it in terms of only the first four Chebyshev polynomials and obtain the best estimation for the coefficients of the expansion assuming three models: (a) a DE equation of the state parameter w=-1 (an interacting cosmological Lambda), (b) a DE equation of the state parameter w = constant with a dark matter density parameter fixed, (c) a DE equation of the state parameter w = constant with a free constant dark matter density parameter to be estimated. In all the cases, the preliminary reconstruction shows that in the best scenario there exist the possibility of a crossing of the noninteracting line Q=0 in the recent past within the 1-sigma and 2-sigma errors from positive values at early times to negative values at late times. This means that, in this reconstruction, there is an energy transfer from DE to DM at early times and an energy transfer from DM to DE at late times. We conclude that this fact is an indication of the possible existence of a crossing behavior in a general interaction coupling between dark components. Finally, we conclude that in this scenario, the observations put strong constraints on the strength of the interaction so that its magnitude can not solve the coincidence problem or at least alleviate significantly.

研究の動機と目的

• ダークマターとダークエネルギーの現象論的相互作用が、宇宙論的一致問題を軽減できるかどうかを調査すること。
• 強いモデル仮定を避けるために、宇宙論的データを用いて非パrametricに相互作用項 Q(z) を再構築すること。
• 現在の観測データを用いて、相互作用モデルの妥当性を検証すること、特にエネルギー移動の符号と大きさに注目すること。
• 相互作用の強さが、一致問題を解決または顕著に緩和するのに十分に制約されているかどうかを評価すること。

提案手法

• 相互作用項および宇宙論的変数のチェビシェフ多項式展開に基づくパラメトリック再構築法を採用する。
• 赤方偏移依存性をモデル化するために、最初の4つのチェビシェフ多項式を用いて相互作用関数 I_Q(z) を展開する。
• ユニオン2のSNe Ia、BAO、7年間のWMAP CMB、H(z)、X線ガス質量分率の5つのデータセットの統合尤度解析により展開係数をフィットする。
• 3つのモデルを検討する：w = -1（相互作用付きΛ）、固定されたΩ_DMを伴うw = 定数、自由なΩ_DMを伴うw = 定数。
• 最適パラメータの推定および1σおよび2σ信頼区間の計算に、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）技術を用いる。
• 観測誤差の範囲内で、再構築された変数（例：Ω_DE、w）が標準のΛCDMモデルと整合するかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターとダークエネルギーの相互作用項が、最近の宇宙進化の間に非相互作用ライン Q=0 を通過するか？
• RQ2 現在の宇宙論的データは、ダークセクター間のエネルギー移動の強さと符号を十分に制約できるか？
• RQ3 相互作用は、宇宙論的一致問題を軽減するのに十分な強さを持っているか？
• RQ4 SNe Ia、BAO、CMB、H(z)、X線などの観測データの異なる組み合わせが、相互作用関数の制約にどのように影響するか？
• RQ5 再構築された相互作用関数は、1σおよび2σ信頼区間内でΛCDMモデルと整合しているか？

主な発見

• 相互作用関数 I_Q(z) は、最近の過去において非相互作用ライン Q=0 を正の値から負の値へと通過しており、初期にはダークエネルギーからダークマターへのエネルギー移動が、最近では逆にダークマターからダークエネルギーへのエネルギー移動が起こっていることを示唆している。
• この通過は、すべてのモデルおよび展開次数（最大N=4）において1σおよび2σ信頼区間内に存在し、強く観測的根拠を有する。
• CMBデータが相互作用強度に対して最もきつい制約を与え、SNe Iaのみを用いた解析と比較して、許容可能なパラメータ空間を顕著に縮小している。
• 再構築されたダークエネルギー密度パラメータ Ω_DE*(z) は、すべての赤方偏移範囲で正の値を保ち、1σおよび2σ誤差内でも同様である。
• 方程式状態パラメータ w は、1σおよび2σレベルで、ファントム領域（w < -1）に最も可能性が高いが、クインテッセンス的挙動の可能性はわずかに残っている。
• すべてのモデルが2σ誤差範囲内でΛCDMモデルと整合しており、宇宙の最近の加速は観測データによって強く裏付けられている。