[論文レビュー] Viscous dark fluid universe

Wiliam S. Hipólito-Ricaldi, Hermano Velten+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、体積粘性を有する単一の成分として、ダークマターとダークエネルギーを統一する粘性ダーク流体モデルを提案する。圧力のないバリオンを明示的に含める。断熱チャプリン・ガスモデルとは異なり、この粘性フレームワークにおける非断熱摂動は、パワー スペクトルの振動を回避し、2dFGRS および SDSS DR7 データからの観測されたバリオン物質パワー スペクトルをうまく再現する。特に、現在の減速パラメータ $ q_0 \approx -0.53 $ が好まられ、ビッグバン核合成の予測と整合する低バリオン物質分率を支持する。

ABSTRACT

We investigate the cosmological perturbation dynamics for a universe consisting of pressureless baryonic matter and a viscous fluid, the latter representing a unified model of the dark sector. In the homogeneous and isotropic background the extit{total} energy density of this mixture behaves as a generalized Chaplygin gas. The perturbations of this energy density are intrinsically non-adiabatic and source relative entropy perturbations. The resulting baryonic matter power spectrum is shown to be compatible with the 2dFGRS and SDSS (DR7) data. A joint statistical analysis, using also Hubble-function and supernovae Ia data, shows that, different from other studies, there exists a maximum in the probability distribution for a negative present value $q_0 \approx - 0.53$ of the deceleration parameter. Moreover, while previous descriptions on the basis of generalized Chaplygin gas models were incompatible with the matter power spectrum data since they required a much too large amount of pressureless matter, the unified model presented here favors a matter content that is of the order of the baryonic matter abundance suggested by big-bang nucleosynthesis.

研究の動機と目的

• ダークマターとダークエネルギーが、体積粘性を有する単一の流体成分として出現する統一されたダークセクター・モデルの構築を目的とする。
• 断熱的でないチャプリン・ガスモデルが、パワー スペクトルにおける物理的に不自然な振動のため、大規模構造データを再現できないという問題を解決することを目的とする。
• 観測されたバリオン物質パワー スペクトルに一致させるために、摂動ダイナミクスに圧力のないバリオンを明示的に含めることを目的とする。
• WMAP 値に固定せず、バリオン物質分率を自由パラメータとして扱うことで、粘性統合モデルの妥当性をテストすることを目的とする。
• 物質パワー スペクトル、超新星 Ia データ、ハッブル定数測定値の統合データを用いて、減速パラメータ $ q_0 $ およびバリオン物質含有率の統計的優位性を特定することを目的とする。

提案手法

• 宇宙を二成分流体（体積粘性を有するダーク流体と圧力のないバリオン）としてモデル化し、全エネルギー密度が $ \alpha = -\frac{1}{2} $ を持つ一般化チャプリン・ガスとして進化するように設定する。
• 体積による非断熱的ダイナミクスを考慮した全エネルギー密度および相対エントロピー摂動の摂動方程式を導出する。
• バリオンおよびダーク流体の密度摂動の連立微分方程式を、粘性応力テンソルおよびバリオン速度の進化を含めて解く。
• 理論的予測を 2dFGRS および SDSS DR7 データ（複数の波数で）と比較する主観測量として物質パワー スペクトルを用いる。
• 物質パワー スペクトル、超新星 Ia データ、ハッブル定数測定値の統合統計的分析を実施し、$ q_0 $ および $ \Omega_{M0} $ を制約する。
• ベイズ推論を用いて最大値を特定する一変量確率分布を $ q_0 $ および $ \Omega_{M0} $ について構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力のないバリオンを明示的に含む粘性ダーク流体モデルは、物理的に不自然な振動を伴わずに、観測されたバリオン物質パワー スペクトルを再現できるか？
• RQ2 粘性ダーク流体フレームワークにバリオンを含めることで、$ \Lambda $CDM モデルの代替として有効な選択肢となるか？
• RQ3 この粘性統合モデルにおける現在の減速パラメータ $ q_0 $ の統計的優位性は何か？
• RQ4 データが支持するバリオン物質分率 $ \Omega_{M0} $ は、ビッグバン核合成の予測と整合するか？
• RQ5 一般化チャプリン・ガスモデルと比較して、この粘性モデルは大規模構造データとの統計的整合性において優れているか？

主な発見

• 粘性ダーク流体モデルにおけるバリオン物質パワー スペクトルは、物理的に不自然な振動や不安定性を示さず、断熱的チャプリン・ガスモデルとは対照的である。
• 本モデルは、複数の波数で 2dFGRS および SDSS DR7 の物質パワー スペクトルデータをうまく再現する。
• 物質パワー スペクトル、超新星 Ia、ハッブル定数測定値の統合統計的分析により、$ q_0 \approx -0.53 $ における事後確率分布の最大値が得られ、強力な加速宇宙を示唆する。
• バリオン物質分率 $ \Omega_{M0} $ の確率分布は 8% 未満の値でピークを示し、ビッグバン核合成の予測と整合する低物質豊度を支持する。
• 一般化チャプリン・ガスモデルがデータに適合させるためにほぼ 100% の圧力のない物質を必要とするのに対し、本粘性モデルは現実的なバリオン分率を支持しており、統一ダークセクター記述の有効な候補である。
• 従来の統合モデルが抱える矛盾を解消する。特に、バリオン分率を恣意的に調整する必要がなく、データが最適値を決定するようにする。