[논문 리뷰] Observational tests of Galileon gravity with growth rate

Koichi Hirano, Zen Komiya|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 25.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대규모 구조의 관측 성장률 데이터를 사용하여 갈릴레온 중력 이론을 시험하며, 동일한 Ωₘ,₀에서 보다 높은 성장률을 예측하는 것으로 나타났다. 이는 증가된 뉴턴 상수 때문이며, 성장률 데이터만으로도 가장 적합한 Ω₮,₀는 0.16으로 도출되었으며, 이는 SNIa, CMB, BAO로부터의 제약과는 상당히 낮은 값이다. 이는 표준 천체물리학과의 갈등을 시사하며, 브란스-딕 퍼라미터는 95% 신뢰수준에서 ω < -40으로 제약된다.

ABSTRACT

We compare observational data of growth rate with the prediction by Galileon theory. For the same value of the energy density parameter $Ω_{m,0}$, the growth rate in Galileon models is enhanced compared with the $Λ$CDM case, due to the enhancement of Newton's constant. The smaller $Ω_{m,0}$ is, the more suppressed growth rate is. Hence the best fit value of $Ω_{m,0}$ in the Galileon model is 0.16 from only the growth rate data, which is considerably smaller than such value obtained from observations of supernovae Ia, the cosmic microwave background and baryon acoustic oscillations. This result seems to be qualitatively the same in most of the generalized Galileon models. We also find the upper limit of the Brans-Dicke parameter to be $ω&lt; -40$, from the growth rate data. More and better growth rate data are required to distinguish between dark energy and modified gravity.

연구 동기 및 목표

• 대규모 구조의 관측 성장률 데이터를 사용하여 갈릴레온 중력 이론의 타당성을 시험하는 것.
• 표준 ΛCDM 모형과 비교하여 갈릴레온 모형에서 물질 밀도 편미분의 성장률을 분석하는 것.
• 성장률 관측치를 사용하여 갈릴레온 모형의 매개변수—특히 Ωₘ,₀ 및 브란스-딕 퍼라미터 ω—를 제약하는 것.
• 성장률 데이터가 수정 중력(갈릴레온) 모형과 어두운 에너지 모형(ΛCDM)을 구분할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 스칼라 장 φ, 브란스-딕 퍼라미터 ω, 그리고 자가상호작용 항 f(φ)□φ(∇φ)²를 포함하는 일반화된 갈릴레온 모형의 작용을 사용한다.
• 배경 진화 및 선형 편미분 방정식은 작용에서 유도되며, 성장률 f(z)는 dlnδ/dlna로 계산되며, 여기서 δ는 물질 과잉밀도이다.
• 여섯 개의 적색편이(z = 0.15에서 z = 3.00)에서의 관측 성장률 데이터는 여러 설문조사에서 취합되었으며, 불확실성 σ가 제공된다.
• 이론적 f(z) 예측치와 관측된 f_obs(z)를 비교하기 위해 χ² 통계량을 구성하며, 공식은 χ² = Σ[(f(zᵢ) - f_obs(zᵢ))² / σ(zᵢ)²]이다.
• 최적의 매개변수는 χ² 최소화 및 최대우도 추정을 통해 결정되며, (Ωₘ,₀, |ω|) 평면에서 68% 및 95% 신뢰구역이 계산된다.
• 모형 비교는 AIC 및 BIC를 사용하여 수행되며, 갈릴레온 모형의 추가 매개변수를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 Ωₘ,₀에서 갈릴레온 중력에서의 물질 편미분 성장률은 ΛCDM 모형과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 성장률 관측치만으로 Ωₘ,₀ 및 브란스-딕 퍼라미터 ω에 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ3 추가 매개변수가 있는 것으로 알려진 갈릴레온 모형이 ΛCDM 모형보다 성장률 데이터에 더 잘 맞는가?
• RQ4 성장률 데이터로부터의 제약은 SNIa, CMB, BAO 관측치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 성장률 데이터만으로 수정 중력(갈릴레온) 모형과 어두운 에너지(ΛCDM) 모형을 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 갈릴레온 모형에서 성장률 데이터만으로 도출된 최적의 물질 에너지 밀도 매개변수 값은 Ωₘ,₀ = 0.16이며, 95% 신뢰구간은 0.16⁺⁰.¹⁸₋₀.¹¹이다.
• 이 최적의 Ωₘ,₀는 SNIa, CMB, BAO 관측치로부터 유도된 값보다 상당히 낮으며, 성장률 데이터와 다른 천체물리학적 측정치 사이의 갈등을 시사한다.
• 브란스-딕 퍼라미터는 95% 신뢰수준에서 ω < -40으로 제약되며, 스칼라 장의 물질과의 결합이 강하게 억제됨을 나타낸다.
• 갈릴레온 모형의 χ² 값(2.943)은 ΛCDM 모형의 χ² 값(3.138)보다 낮아, 성장률 데이터에 더 잘 맞는다는 것을 시사한다.
• 그러나 AIC 및 BIC 값은 추가 자유도 매개변수가 있는 갈릴레온 모형보다 자유도가 적은 ΛCDM 모형을 선호한다.
• 동일한 Ωₘ,₀에서 갈릴레온 모형의 성장률은 효과적인 뉴턴 상수가 증가함에 따라 ΛCDM 모형보다 높아지며, 이는 더 높은 성장률을 이끈다.