[논문 리뷰] Exploring a new interaction between dark matter and dark energy using the growth rate of structure

Martín G. Richarte, Lixin Xu|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 08.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스케일 인자 거듭제곱 법칙과 허블률 조절을 통해 매개변수화된 다크 물질과 다크 에너지 간의 새로운 현상학적 상호작용을 제안하며, 이는 다크 에너지에서 다크 물질로의 에너지 전달을 가능하게 한다. CMB, BAO, RSD, SNe, HST 데이터를 종합적으로 사용한 분석은 큰 결합 상수(ξ_c ≈ 0.344)와 음수의 지수(β ≈ -0.509)를 선호하며, 이는 관측 모델과 비교해 물질 파wer 스펙트럼과 CMB 음향 피크에 상당한 변화를 초래한다.

ABSTRACT

We present a phenomenological interaction with a scale factor power law form which leads to the appearance of two kinds of perturbed terms, a scale factor spatial variation along with perturbed Hubble expansion rate. We study both the background and the perturbation evolution within the parametrized post-Friedmann scheme, obtaining that the exchange of energy-momentum can flow from dark energy to dark matter in order to keep dark energy and dark matter densities well defined at all times. We combine several measures of the cosmic microwave background (WMAP9+Planck) data, baryon acoustic oscillation measurements, redshift-space distortion data, JLA sample of supernovae, and Hubble constant for constraining the coupling constant and the exponent provided both parametrized the interaction itself. The joint analysis of ${ m Planck+WMAP9+BAO}$ ${ m +RSD+JLA+HST}$ data seems to favor large coupling constant, $ξ_c = 0.34403427_{- 0.18907353}^{+ 0.14430125}$ at 1 $σ$ level, and prefers a power law interaction with a negative exponent, thus $β= -0.50863232_{- 0.40923857}^{+ 0.48424166}$ at 1 $σ$ level. The CMB temperature power spectrum indicates that a large coupling constant produces a shift of the acoustic peaks and affects their amplitudes at lower multipoles. In addition, a larger $β$ exponent generates a shift of the acoustic peaks, pointing a clear deviation with respect to the concordance model. The matter power spectrum are sensitive to the variation of the coupling constant and the $β$ exponent. In this context, the interaction alters the scale of matter and radiation equality and pushes it away from the present era, which in turn generates a shift of the turnover point toward to smaller scale.

연구 동기 및 목표

• 다크 물질과 다크 에너지 간의 새로운 상호작용 메커니즘을 탐색하여 초기 시점의 진동수에 대한 불안정성을 피하는 것.
• 스케일 인자에 의존하는 결합과 함께 허블률 변화를 고려할 때, 천체 구조의 성장률에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것.
• Planck, WMAP9, BAO, RSD, JLA, HST 데이터를 포함한 종합적 데이터세트를 사용하여 상호작용 매개변수를 제약하는 것.
• 이 상호작용이 CMB 온도 스펙트럼과 물질 파워 스펙트럼에 미치는 영향을 평가하여, 특히 음향 피크 위치와 전환 스케일에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 것.

제안 방법

• 상호작용는 허블 파라미터와 스케일 인자 거듭제곱 법칙의 곱으로 모델링되며, 결합 상수 ξ_c와 지수 β를 포함한다.
• 배경 및 선형 진동수 진화를 연구하기 위해, 매개변수화된 후-프리드만(PPF) 프레임워크를 사용한다.
• 에너지-모멘텀 교환은 다크 에너지에서 다크 물질로만 흐르도록 제약되며, 모든 시간에 양의 밀도를 보장한다.
• CosmoMC와 CAMB를 통해 Planck2013+WMAP9+JLA+BAO+RSD+HST 데이터의 공동 우도 분석을 통해 관측 제약 조건을 도출한다.
• 물질 진동수의 성장률은 f_m = d ln δ_m / d ln a 함수를 통해 fσ_8 측정치와 연결하여 분석한다.
• 물질 파워 스펙트럼과 CMB TT 파워 스펙트럼을 계산하고 관측 결과와 비교하여 음향 피크와 전환점의 이동 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스케일 인자 거듭제곱 법칙 상호작용에 허블률 조절을 더해, 우주 시간 전반에 걸쳐 안정적이고 잘 정의된 다크 에너지 및 다크 물질 밀도를 유지할 수 있는가?
• RQ2 스케일 인자와 허블률 진동수를 모두 포함할 경우, 물질 구조의 성장률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CMB, RSD, BAO, SNe, HST 데이터를 종합적으로 분석하여 결합 상수 ξ_c와 지수 β에 대한 관측 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 이 상호작용은 CMB 온도 파워 스펙트럼의 음향 피크 위치와 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 상호작용은 물질-복사 평형 스케일과 물질 파워 스펙트럼의 전환점에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Planck2013+WMAP9+JLA+BAO+RSD+HST 데이터의 공동 분석은 1σ 기준으로 큰 결합 상수 ξ_c = 0.34403427_{-0.18907353}^{+0.14430125}를 선호하며, 이는 이전 추정치의 약 10^{-3} 수준보다 훨씬 크다.
• 데이터는 1σ 기준으로 음수의 지수 β = -0.50863232_{-0.40923857}^{+0.48424166}를 선호하여 초기 시점의 강한 상호작용 효과를 시사한다.
• 더 큰 결합 상수는 CMB TT 파워 스펙트럼의 첫 번째 음향 피크를 이동시키며, 저다중수에서 진폭을 증가시켜 표준 모델과의 이탈을 나타낸다.
• 물질 파워 스펙트럼은 상호작용으로 인해 다크 물질 밀도가 증가하여 물질-복사 평형이 지연되면서 전환점이 더 작은 스케일 쪽으로 이동함을 보여준다.
• 상호작용는 효과적 중력 상수를 수정하고 물질 진동수 방정식에 마찰성 항을 도입하여 성장률을 변화시킨다.
• 모델은 1σ 기준으로 파라미터가 음성인 상태의 방정식 상태를 예측하며, Planck 2013과 비교해 다크 물질 밀도 차이가 0.11%로 나타나지만, Planck EE+lowP 데이터를 포함할 경우 이 차이가 두 배로 증가한다.