[논문 리뷰] Spherical Collapse Model And Dark Energy(I)

Ding-fang Zeng, Yi-hong Gao|arXiv (Cornell University)|2005. 05. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 평탄한 QCDM 및 패러독스-CDM 우주론에서 어두운 에너지가 물질과 동시에 응집된다고 가정함으로써 구형 붕괴 모델을 재평가한다. 이는 은하단 외부에서 어두운 에너지의 유량을 제거한다. 어두운 에너지의 상태방정식 매개변수 $ w $ 가 은하단의 수밀도와 그 적색편이에 따른 진화에 지수적으로 영향을 미친다는 것을 발견하였으며, 이는 은하단의 밀도 측정을 통해 $ w $ 를 제약할 수 있음을 시사한다. 그러나 $ \sigma_8 $ 와의 디제너러시로 인해 추가 사전 정보가 없이 정밀도가 제한된다.

ABSTRACT

In existing literatures about the top-hat spherical collapse model of galaxy clusters formation in cosmology containing dark energies, dark energies are usually assumed not to cluster on this scale. But all these literatures ignored the current describing the flowing of dark energies outside the clusters which should exist under this assumption, so the conclusions of these literatures are worth further explorations. In this paper we study this model in QCDM or Phantom-CDM cosmologies(flat) by assuming that dark energies will cluster synchronously with ordinary matters on the scale of galaxy clusters so the dark energy current flowing outside the clusters does not exist at all and find that in this case, the key parameters of the model exhibit rather non-trivial and remarkable dependence on the equation of state coefficients of dark energies. We then apply the results in Press-Scheter theory and calculate the number density of galaxy clusters and its evolutions. We find that this two quantities are both affected exponentially by the equation of state coefficients of dark energies. We leave the study of this model with the assumption that dark energies do not cluster on the scale of galaxy clusters at all as the topic of another paper where similar conclusions will be obtained also.

연구 동기 및 목표

• 어두운 에너지가 응집하지 않는다고 가정하는 기존의 구형 붕괴 모델에서 어두운 에너지의 유량이 에너지-운동량 텐서에 영향을 미치는 것을 간과한 모순을 해결하기 위해.
• 어두운 에너지가 은하단 척도에서 물질과 동시에 응집된다고 가정할 경우의 우주론적 영향을 조사하기 위해.
• 이 가정 하에서 어두운 에너지의 상태방정식 매개변수 $ w $ 가 은하단의 수밀도와 그 적색편이에 따른 진화에 어떻게 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 다른 매개변수와의 디제너러시로 인해 정밀도가 제한되지만, 관측된 은하단 밀도를 이용해 $ w $ 를 제약할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 어두운 에너지가 물질과 동시에 응집된다고 가정함으로써 에너지-운동량 텐서에서 어두운 에너지의 유량을 제거한 평탄한 QCDM 및 패러독스-CDM 우주론에서의 구형 붕괴 모델을 수립한다.
• 이 가정 하에서 아인슈타인 방정식을 해결하여 $ w $ 에 따라 비직관적으로 의존하는 임계 밀도 대비 $ \delta_c $ 와 성장 함수 $ D_1(a) $ 를 유도한다.
• 수득한 모델 파라미터를 프레스-셰이처 형식에 적용하여 질량, 온도, 적색편이에 따른 은하단의 수밀도를 계산한다.
• 유도된 식을 적용하여 온도에 따른 수밀도 함수와 그 적색편이에 따른 진화를 계산하고, $ w $ 에 대한 의존성을 분석한다.
• $ \sigma_8 $, $ h $, $ n_s $, $ \mu/\beta $ 의 사전 정보를 사용하여 $ w $ 와 $ \Omega_{m0} $ 의 제약을 추정하기 위해 신뢰수준 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 에너지가 물질과 동시에 응집된다고 가정할 경우, 구형 붕괴 모델의 핵심 매개변수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이 가정 하에서 은하단의 수밀도가 어두운 에너지의 상태방정식 매개변수 $ w $ 와 어떤 기능적 의존성을 가지는가?
• RQ3 질량이 큰 은하단의 밀도의 적색편이 진화는 $ w $ 에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 관측된 은하단 밀도 측정을 통해 $ w $ 를 제약할 수 있으며, 다른 매개변수와의 디제너러시로 인해 어떤 제약이 있는가?

주요 결과

• 은하단의 수밀도와 그 적색편이에 따른 진화는 어두운 에너지의 상태방정식 매개변수 $ w $ 에 대해 지수적으로 민감하다.
• $ w \to 0 $ 일 때 수밀도 함수는 증가하고, $ w \to -\infty $ 일 때는 크게 감소한다.
• $ w < -1 $ 일 경우, 질량이 큰 은하단의 수밀도는 봉화 시간이 갈수록 감소한다; $ w > -1 $ 일 경우는 증가한다.
• $ \sigma_8 = 0.5 $, $ h = 0.71 $, $ n_s = 1.0 $, $ \mu/\beta = 0.75 $ 의 사전 정보를 사용할 경우, 99% 신뢰수준에서 제약 결과로 $ w = -1.08 \pm 0.09 $ 를 얻는다.
• 이 모델은 일반적으로 낮은 $ \sigma_8 \approx 0.5 $ 를 예측하며, WMAP 및 SDSS 결과와 부합하지 않아, 표준 밀도 분석에 어두운 에너지의 불안정성 효과를 포함시켜야 함을 시사한다.
• 동시 응집 가정은 모델을 단순화하고 자기 일관성을 향상시키지만, 실제 물리적 상황은 이론적 동시 응집과 응집 없음 사이에 위치할 가능성이 높아, 어두운 에너지 응집 효과가 정확한 은하단 밀도 모델링에 필수적임을 시사한다.