[論文レビュー] Scale-Dependent Growth from a Transition in Dark Energy Dynamics

Mustafa A. Amin, Phillip Zukin+1 more|Aug 8, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、クインテッセンス型ダークエネルギーが遅刻期にゆっくりと滑らかに動く状態から振動的ダイナミクスに遷移する際の観測的兆候を調査し、その結果生じる動的不安定性がスカラー場の揺らぎおよび重力ポテンシャルにおける波数依存的成长を引き起こすことを示している。一方、物質の摂動はほとんど影響を受けない。これにより、統合サックス＝ホル・効果を通じて宇宙背景放射に特徴的な、観測可能なインプリントが生じ、温度非等方性は10⁻⁷から10⁻⁵のオーダーとなり、非線形場ダイナミクスを示すクインテッセンスモデルの検証に役立つ。

ABSTRACT

We investigate the observational consequences of the quintessence field rolling to and oscillating near a minimum in its potential, "if" it happens close to the present epoch (z<0.2). We show that in a class of models, the oscillations lead to a rapid growth of the field fluctuations and the gravitational potential on subhorizon scales. The growth in the gravitational potential occurs on timescales << H^(1). This effect is present even when the quintessence parameters are chosen to reproduce an expansion history consistent with observations. For linearized fluctuations, we find that although the gravitational potential power spectrum is enhanced in a scale-dependent manner, the shape of the dark matter/galaxy power spectrum is not significantly affected. We find that the best constraints on such a transition in the quintessence field is provided via the integrated Sachs-Wolfe (ISW) effect in the CMB temperature power spectrum. Going beyond the linearized regime, the quintessence field can fragment into large, localized, long lived excitations (oscillons) with sizes comparable to galaxy clusters; this fragmentation could provide additional observational constraints. Two quoted "signatures" of modified gravity are a scale-dependent growth of the gravitational potential and a difference between the matter power spectrum inferred from measurements of lensing and galaxy clustering. Here, both effects are achieved by a minimally coupled scalar field in general relativity with a canonical kinetic term.

研究の動機と目的

• クインテッセンス型ダークエネルギーが遅刻期にゆっくりと滑らかに動く状態から振動的ダイナミクスに遷移する際の観測的結果を調査すること。
• 振動するスカラー場における動的不安定性が、場の揺らぎおよび重力ポテンシャルにおける急速かつ波数依存的成长をどのように引き起こすかを分析すること。
• このような非線形場ダイナミクスが、特にCMBにおける統合サックス＝ホル効果を含む宇宙論的観測量に与える影響を評価すること。
• 非線形場の崩壊またはオシロソン形成によって生じる大規模なCMB温度非等方性を通じて、これらの効果を検出する可能性を探索すること。
• 標準的な重力的成長とは異なり、物質の過密度成長と対をなさずに重力ポテンシャルの成長が生じるという特徴を特定すること。

提案手法

• 浅い最小値を持つポテンシャルを持つクインテッセンス場をモデル化し、現在の赤方偏移（z ≲ 0.2）近辺で振動的ダイナミクスへの遷移を可能にする。
• 線形および非線形摂動理論を用いて、振動場内の非調和的自己相互作用によって駆動される不均一性の成長を分析する。
• スカラー場およびそのエネルギー密度プロファイルの時間的変化を計算し、長期間にわたって安定した局所的構造（オシロソンと呼ばれる）の形成を含む。
• 非線形場配置に起因する時間変化する重力ポテンシャルに起因する統合サックス＝ホル（ISW）効果を推定する。ここには、集団的崩壊と個々のオシロソンの両方を含む。
• 赤方偏移 z ≲ 0.2 における単一の非線形摂動からのCMB温度低下の最大値を推定するために、球対称のトッパーハット崩壊モデルを適用する。
• 数値シミュレーション（付録B）を用いて、時間とともに膨張・収縮を繰り返すオシロソンのエネルギー密度プロファイルをモデル化し、そのISW寄与を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クインテッセンスが遅刻期にゆっくりと滑らかに動く状態から振動的ダイナミクスに遷移する際、どのような観測的兆候が生じるか？
• RQ2 振動スカラー場における動的不安定性が、重力ポテンシャルの波数依存的成长をどのように引き起こすか。また、これは標準的な物質成長とはどのように異なるか？
• RQ3 クインテッセンス場の非線形破壊がオシロソンを形成することで、統合サックス＝ホル効果を通じてCMB非等方性が検出可能になるか？
• RQ4 このような非線形場配置に起因するCMB温度揺らぎの振幅と角度スケールはそれぞれどの程度か？
• RQ5 集団的場の崩壊に起因するISW信号と個々のオシロソンに起因する信号とは、振幅および空間的構造においてどのように異なるか？

主な発見

• 本稿では、地球からの距離 0.03 H₀⁻¹ における単一の場摂動の非線形崩壊から、CMB温度低下の最大値が約 -4 × 10⁻⁵ であると予測している。
• 中心振幅 M で幅が数 m⁻¹ の個々のオシロソンからのISW信号は、±10⁻⁷ と推定され、輪郭状の角度パターンを示す。
• 光の通過時間が振動周期と同程度であるため、キャンセル効果が生じ、オシロソンからのISW効果の振幅は次元的推定値よりも小さくなる。
• 場の揺らぎに起因して重力ポテンシャルが顕著に成長する一方で、物質パワースペクトルはほとんど変化しないため、特徴的な観測的シグナルが得られる。
• クインテッセンス場の非線形破壊から形成されたオシロソンは、時間変化するエネルギー密度プロファイルを示し、単純なトッパーハットモデルよりも複雑である。最大値ではガウス型の形状を示し、ゼロ振幅ではより平坦なプロファイルを示す。
• 解析から、オシロソンの出現に伴う時間スケールおよびダイナミクスを解明するには、完全な格子シミュレーションが必要であると示唆されているが、現在の推定値は、遅刻期のダークエネルギーダイナミクスを制約する有望な道筋を示している。