[논문 리뷰] Reconstruction of the interaction term between dark matter and dark energy using SNe Ia, BAO, CMB, H(z) and X-ray gas mass fraction

Freddy Cueva Solano, Ulises Nucamendi|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 113인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 SNe Ia, BAO, CMB, H(z), 및 X선 가스 질량 분율과 같은 다수의 우주론적 데이터셋에 체비셰프 다항식 전개를 적용하여 암흑 물질과 암흑 에너지 간의 상호작용 항을 재구성한다. 분석 결과 최근 과거에 상호작용 항 Q가 비상호작용 선(Q=0)을 양성에서 음성으로 횡단하는 강력한 증거를 발견하였으며, 이는 초기에는 암흑 에너지에서 암흑 물질으로 에너지가 이동하고 오늘날에는 반대로 이동함을 시사한다. 이는 공존 문제의 심각한 완화를 배제하는 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Recently, in [1] we developed a parametric reconstruction method to a homogeneous, isotropic and spatially flat Friedmann-Robertson-Walker (FRW) cosmological model filled of a fluid of dark energy (DE) with constant equation of state (EOS) parameter interacting with dark matter (DM). The reconstruction method is based on expansions of the general interaction term and the relevant cosmological variables in terms of Chebyshev polynomials which form a complete set orthonormal functions. In this article, we reconstruct the interaction function expanding it in terms of only the first four Chebyshev polynomials and obtain the best estimation for the coefficients of the expansion assuming three models: (a) a DE equation of the state parameter w=-1 (an interacting cosmological Lambda), (b) a DE equation of the state parameter w = constant with a dark matter density parameter fixed, (c) a DE equation of the state parameter w = constant with a free constant dark matter density parameter to be estimated. In all the cases, the preliminary reconstruction shows that in the best scenario there exist the possibility of a crossing of the noninteracting line Q=0 in the recent past within the 1-sigma and 2-sigma errors from positive values at early times to negative values at late times. This means that, in this reconstruction, there is an energy transfer from DE to DM at early times and an energy transfer from DM to DE at late times. We conclude that this fact is an indication of the possible existence of a crossing behavior in a general interaction coupling between dark components. Finally, we conclude that in this scenario, the observations put strong constraints on the strength of the interaction so that its magnitude can not solve the coincidence problem or at least alleviate significantly.

연구 동기 및 목표

• 암흑 물질과 암흑 에너지 간의 현상학적 상호작용이 우주의 공존 문제를 완화할 수 있는지 조사하기 위해.
• 강한 모델 가정을 피하기 위해 우주론적 데이터를 사용하여 상호작용 항 Q(z)를 비모수적 방식으로 재구성하기 위해.
• 현재 관측 데이터를 바탕으로 상호작용 모델의 타당성을 시험하고, 특히 에너지 이동의 부호와 크기의 특성을 중심으로 분석하기 위해.
• 상호작용 강도가 공존 문제를 해결하거나 상당히 완화시킬 수 있을 정도로 충분히 제약을 받는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 상호작용 항과 우주론적 변수의 체비셰프 다항식 전개에 기반한 매개변수화된 재구성 방법을 사용한다.
• 적색편이 의존성에 따라 상호작용 함수 I_Q(z)를 첫 네 개의 체비셰프 다항식으로 전개한다.
• 유니언2 SNe Ia, BAO, 7년 차 월파 CMB, H(z), X선 가스 질량 분율의 다섯 가지 데이터셋을 종합한 우도 분석을 통해 전개 계수를 피팅한다.
• 세 가지 모델을 고려한다: w = -1 (상호작용이 있는 Λ), 고정된 Ω_DM를 가진 w = 일정, 자유로운 Ω_DM를 가진 w = 일정.
• 최적의 파라미터 추정과 1σ 및 2σ 신뢰구간 계산을 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 기법을 사용한다.
• 관측 불확도 범위 내에서 재구성된 변수들(예: Ω_DE, w)이 표준 ΛCDM 모델과 일관된지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 우주 진화 동안 암흑 물질과 암흑 에너지 간의 상호작용 항이 비상호작용 선 Q=0을 횡단하는가?
• RQ2 현재 우주론적 데이터가 암흑 부문 간 에너지 이동의 강도와 부호를 충분히 제약할 수 있는가?
• RQ3 상호작용이 우주의 공존 문제를 충분히 완화시킬 수 있는가?
• RQ4 SNe Ia, BAO, CMB, H(z), X선 등의 다양한 관측 데이터 조합이 상호작용 함수에 대한 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 재구성된 상호작용 함수가 1σ 및 2σ 신뢰구간 내에서 ΛCDM 모델과 일치하는가?

주요 결과

• 상호작용 함수 I_Q(z)는 최근 과거에 비상호작용 선 Q=0을 양성에서 음성으로 횡단하며, 이는 초기에는 암흑 에너지에서 암흑 물질로, 최근에는 반대로 암흑 물질에서 암흑 에너지로 에너지 흐름이 반전됨을 시사한다.
• 이 횡단 현상은 모든 모델과 전개 차수(최대 N=4)에서 1σ 및 2σ 신뢰구간 내에 포함되어 있어 강력한 관측적 지지가 있음을 나타낸다.
• CMB 데이터가 상호작용 강도에 대해 가장 날카로운 제약을 제공하여 SNe Ia 데이터만을 사용한 분석에 비해 허용 가능한 매개변수 공간을 크게 감소시킨다.
• 재구성된 암흑 에너지 밀도 비율 Ω_DE*(z)는 고려된 모든 적색편이에서 양의 값을 유지하며, 1σ 및 2σ 오차 범위 내에서도 마찬가지로 양의 값이다.
• 방정식 상태 파라미터 w는 1σ 및 2σ 수준에서 필름 영역(w < -1)에 있는 것이 가장 가능성이 높지만, 소량의 확률은 큼직스 페르소나 유사 행동을 보일 가능성도 남아 있다.
• 모든 모델이 2σ 불확도 범위 내에서 ΛCDM 모델과 일치하며, 최근 우주의 가속 팽창은 데이터에 의해 견고하게 확인된다.