[논문 리뷰] Dynamical dark energy models with singularities in the view of the forthcoming results of the growth observations

Tomasz Denkiewicz|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 향후 성장률 관측치가 미래에 특이성을 가진 다이나믹스 어두운 에너지 모형—특히 갑작스러운 미래 특이성(SFS)과 유한 스케일 인자 특이성(FSFS)—을 표준 ΛCDM 모형과 구별할 수 있는지 조사한다. 하향 스케일 근사 없이 뉴턴 게이지에서 스케일에 의존하는 페르투르베이션 방정식을 해결함으로써, 본 연구는 특이성 모형에서 성장 함수가 스케일에 따라 변동함을 보여주며, 이는 향후 데이터로 이러한 모형의 전체 매개변수 범위를 배제할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The question of the origin of the recent acceleration of the Universes expansion is still pending. What is making the situation even worst, it is impossible to distinguish the vast majority of the proposed models of the dynamical dark energy and modified gravity from the $ΛCDM$ in view of recent geometrical and dynamical, observational data. On the other hand on scales much smaller than the present Hubble scale, there are differences in the growth of the matter perturbations for different modes of the perturbations in the $ΛCDM$. In the view of the new planned observations that will give insight into the perturbations of the dark sector this issue is being worth of further investigation. We analyze the evolution of the dark matter perturbations in the dynamical dark energy models with the singularities, such as the sudden future singularity and the finite scale factor singularity. We employ the Newtonian gauge formulation for derivation of the perturbation equations for the growth function. We abandon the sub-Hubble approximation, what leads to the scale dependent solutions for the perturbations. Treating the growth function as a scale dependent allows to differentiate the dynamical dark energy models with the singularities and the dynamical dark energy models and the $ΛCDM$. The new data constraining growth of the perturbations will be able to rule out the whole range of the values of the parameters allowed by the present data of the dynamical dark energy models with the sudden future singularity and the finite scale factor singularity.

연구 동기 및 목표

• 향후 성장률 관측치가 미래에 특이성을 가진 다이나믹스 어두운 에너지 모형(SFS, FSFS)을 ΛCDM 모형과 구별할 수 있는지 평가하기.
• 하향 스케일 근사 이외의 스케일에 따라 변화하는 물질 페르투르베이션의 진화를 특이성을 가진 어두운 에너지 시나리오에서 조사하기.
• 향후 약한 렌즈 및 CMB 편광 실험(Euclid, DES, CoRE, PRISM 등)이 특이성을 가진 어두운 에너지 모형을 제약하거나 배제할 잠재력을 평가하기.
• 특이성 모형(SFS, FSFS)에서 성장 함수가 다양한 페르투르베이션 파동수에서 ΛCDM와 상당히 다름을 입증하기, 특히 고적색도에서.
• 스케일에 의존하는 성장 함수를 사용하여 특이성을 가진 어두운 에너지 모형을 테스트할 수 있는 프레임워크 제공하기, 스케일 독립적 근사의 한계를 피하기 위해.

제안 방법

• 하향 스케일 근사를 피하기 위해 뉴턴 게이지에서 어둠의 물질에 대한 스케일에 의존하는 페르투르베이션 방정식의 전부를 유도한다.
• 스케일 인자에 따른 선형 밀도 대비 진동 방정식(식 2.4)을 시간에 따라 변화하는 허블 파라미터와 어두운 에너지 기여를 포함하여 해석한다.
• 스케일에 따라 변화하는 성장 지수 γ를 사용한 성장률 매개변수화 f(a) = d(ln δm)/d(ln a)를 적용하여 모드에 따라 변화하는 진화를 포착한다.
• SFS 및 FSFS 시나리오에 대해 모델 특화 매개변수화를 사용하며, 기존 기하학적 제약(SNIa, BAO, H(z))을 만족하도록 매개변수를 조정한다.
• SFS, FSFS, ΛCDM 모형에서 파장수 k(0.001에서 0.1 h Mpc⁻¹ 사이)에 따라 성장 함수 f(z)를 비교한다.
• 향후 설문조사에서 감지될 수 있는 편차를 식별하기 위해 성장 함수의 적색도 진화를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 성장률 관측치는 특이성을 가진 다이나믹스 어두운 에너지 모형(SFS, FSFS)을 ΛCDM 모형과 구별할 수 있는가?
• RQ2 스케일에 따라 다양한 크기에서 특이성을 가진 어두운 에너지 모형에서 어둠의 부문 페르투르베이션은 ΛCDM와 어떻게 다르게 진화하는가?
• RQ3 스케일에 따라 변화하는 성장 함수의 해법이 스케일 독립적 근사에서 보이지 않는 모형 고유의 서명을 얼마나 잘 드러내는가?
• RQ4 향후 약한 렌즈 및 CMB 편광 실험(Euclid, DES, CoRE, PRISM 등)은 특이성을 가진 어두운 에너지 모형의 매개변수 공간에 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ5 특이성 모형에서 다양한 페르투르베이션 모드(k-모드) 간의 성장 함수의 차이가 적색도에 따라 어떻게 진화하는가?

주요 결과

• SFS 및 FSFS 모형에서 성장 함수는 상당한 스케일 의존성을 보이며, 고적색도에서 ΛCDM와의 편차가 증가한다.
• k ≈ 0.002 h Mpc⁻¹ 모드에서, 짧은 파장 모드와의 비교에서 z ≈ 5에서 약 10%의 편차가 나타나며, 적색도가 증가함에 따라 증가한다.
• 모든 k-모드에서 SFS, FSFS, ΛCDM 모형 간의 성장 함수 값은 상당히 다름을 보이며, 특히 고적색도에서 두드러진다.
• SFS 및 FSFS 모형의 매개변수는 기존 기하학적 탐사(SNIa, BAO, H(z))와 일치하도록 선택되어 있어 기존 제약 조건 하에서 타당함을 확보한다.
• 특이성 모형에서 성장 함수의 스케일 의존성은 향후 고적색도 및 대규모 스케일 성장 측정을 통해 탐지 가능한 명확한 관측 서명을 제공한다.
• 향후 고적색도 및 대규모 스케일에서의 페르투르베이션 성장 데이터는 SFS 및 FSFS 모형의 전체 매개변수 범위를 배제할 수 있으며, 이는 이러한 시나리오의 반증을 가능하게 한다.