[論文レビュー] Six Puzzles for LCDM Cosmology

Leandros Perivolaropoulos|ArXiv.org|Nov 28, 2008

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、ΛCDMモデルに対して2σ以上のもっとも顕著な観測的課題を6つ特定している。それらは、異常な大規模な速度流れ、予期しないほど明るい高赤方偏移Ia型超新星、過小に空洞化した空洞、過剰に集中したクラスターハロー、核を持つ銀河のダークマター分布、そして安定したディスク銀河の多数存在である。著者は、重力的安定性や構造形成にダークエネルギーが与える影響が、これらの謎を解く鍵であるかもしれないと主張している。時間的に変化するダークエネルギーの状態方程式や有効ニュートン定数の変化が、複数の不一致を同時に解消する可能性を示唆している。

ABSTRACT

The LCDM cosmological model is a well defined, simple and predictive model which is consistent with the majority of current cosmological observations. Despite of these successes there are specific cosmological observations which differ from the predictions of LCDM at a level of 2σor higher. These observations include the following: 1. Large Scale Velocity Flows (LCDM predicts significantly smaller amplitude and scale of flows than what observations indicate), 2. Brightness of Type Ia Supernovae (SnIa) at High Redshift z (LCDM predicts fainter SnIa at High z), 3. Emptiness of Voids (LCDM predicts more dwarf or irregular galaxies in voids than observed), 4. Profiles of Cluster Haloes (LCDM predicts shallow low concentration and density profiles in contrast to observations which indicate denser high concentration cluster haloes) 5. Profiles of Galaxy Haloes (LCDM predicts halo mass profiles with cuspy cores and low outer density while lensing and dynamical observations indicate a central core of constant density and a flattish high dark mass density outer profile), 6. Sizable Population of Disk Galaxies (LCDM predicts a smaller fraction of disk galaxies due to recent mergers expected to disrupt cold rotationally supported disks). Even though the origin of some of the above challenges may be astrophysical or related to dark matter properties, it should be stressed that even on galactic and cluster scales, the effects of dark energy on the equilibrium and stability of astrophysical systems are not negligible and they may play a key role in the resolution of the above puzzles. Here, I briefly review these six challenges of LCDM and discuss the possible dark energy properties required for their resolution.

研究の動機と目的

• ΛCDMモデルにおける6つの継続的な観測的不一致を特定し、体系的に整理すること。これらは2σ以上の有意水準を満たしている。
• これらの不一致が、大規模（空洞、速度流れ）および小規模（ハロー分布、ディスク銀河）現象にわたるが、ダークエネルギーまたは重力の修正によって解消可能かどうかを検討すること。
• ダークエネルギーが天体物理学的平衡や安定性に与える影響が、まだ十分に評価されていない可能性があり、複数のパズルを統一的に解消する手がかりとなるかもしれないと主張すること。
• 早期構造形成の増幅という普遍的特徴を強調することで、今後の理論的および観測的作業を促進すること。

提案手法

• ΛCDMにおける6つの観測的異常を体系的にレビューし、それぞれをモデル予測との相対的な統計的有意水準で評価する。
• z ≳ 0.5でw(z) > -1となる時間的に変化するダークエネルギーの状態方程式が、初期期の重力的収縮および構造形成を促進する可能性を分析する。
• 有効重力定数G(z)の変化が、静水的平衡および準安定構造のプロファイルに与える影響を検討する。
• 既存の天体物理学的モデルを用いて、ダークエネルギーの力が球状星団や銀河団のような天体物理学的系に不安定化や形状変化をもたらす可能性を評価する。
• Ia型超新星の明るさ、空洞内の銀河数、ハロー密度プロファイルに関する観測データとΛCDMの予測を比較する。
• 修正された重力またはダークエネルギーのダイナミクスが、高風速流れや核的ダークマター分布といった複数のパズルを同時に緩和できるか、定量的に議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ大規模な速度流れ（100 h⁻¹ Mpc以上）のスケールで、観測された振幅とコherーントスケールがΛCDMの予測を2σ以上上回っているのか？
• RQ2 なぜ高赤方偏移Ia型超新星がΛCDMの予測よりも明るく観測されるのか？これは初期期の減速が予想よりも弱いことを示唆している。
• RQ3 なぜ宇宙の空洞に、ΛCDMシミュレーションが予測するよりも、矮星銀河や不規則銀河が著しく少ないのか？
• RQ4 なぜ観測されたクラスターハローや銀河のダークマターハローが、ΛCDMシミュレーションよりも高い集中度と密度の高いコアを持つのか？
• RQ5 なぜΛCDMモデルでは破壊的合体が頻繁に予想されるにもかかわらず、安定した冷たい回転支持ディスク銀河が依然として存在し続けられるのか？

主な発見

• 100 h⁻¹ Mpc以上のスケールで大規模な速度流れは、振幅とコherーントスケールの両方が、ΛCDMの予測を2σ以上上回っている。
• 高赤方偏移Ia型超新星は、ΛCDMの予測よりも明るく観測されており、初期期の減速が予想よりも弱いことを示唆している。
• 空洞には、ΛCDMシミュレーションが予測するよりも、矮星銀河や不規則銀河が著しく少ない。これは、小スケールハローの過小生成を示唆している。
• クラスターハローは、ΛCDMの予測よりも高い集中度と密度の高いコアを持つことが観測されており、モデルの構造形成効率に疑問を呈している。
• 銀河のダークマターハローは、一定密度のコアと高い外縁質量密度を示しており、ΛCDMの急激なコア予測とは矛盾している。
• 安定ディスク銀河の観測頻度は、ΛCDMの予測する合体誘発的破壊の頻度と矛盾しており、修正された重力的ダイナミクスまたは初期期構造形成の増幅が必要であると示唆している。