[논문 리뷰] Testing dark energy models with $H(z)$ data

Jing-Zhao Qi, Shuang‐Nan Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 01.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 42인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 최신 $H(z)$ 데이터를 바탕으로 가우시안 프로세스를 사용하여 $Om(z)$ 진단 및 그의 첫 번째 도함수 $\mathcal{L}^{(1)}_m$를 재구성하여 다크 에너지 모델을 테스트한다. 분석 결과, CPL 및 JBP 모델은 1σ 신뢰 수준에서 기각되며, 고적색편이 $H(z)$ 데이터는 이론적 예측과 상당한 이격을 보이며 표준 $\Lambda$CDM 모델에 도전한다.

ABSTRACT

$Om(z)$ is a diagnostic approach to distinguish dark energy models. However, there are few articles to discuss what is the distinguishing criterion. In this paper, firstly we smooth the latest observational $H(z)$ data using a model-independent method -- Gaussian processes, and then reconstruct the $Om(z)$ and its fist order derivative $\mathcal{L}^{(1)}_m$. Such reconstructions not only could be the distinguishing criteria, but also could be used to estimate the authenticity of models. We choose some popular models to study, such as $Λ$CDM, generalized Chaplygin gas (GCG) model, Chevallier-Polarski-Linder (CPL) parametrization and Jassal-Bagla-Padmanabhan (JBP) parametrization. We plot the trajectories of $Om(z)$ and $\mathcal{L}^{(1)}_m$ with $1 σ$ confidence level of these models, and compare them to the reconstruction from $H(z)$ data set. The result indicates that the $H(z)$ data does not favor the CPL and JBP models at $1 σ$ confidence level. Strangely, in high redshift range, the reconstructed $\mathcal{L}^{(1)}_m$ has a tendency of deviation from theoretical value, which demonstrates these models are disagreeable with high redshift $H(z)$ data. This result supports the conclusions of Sahni et al. \citep{sahni2014model} and Ding et al. \citep{ding2015there} that the $Λ$CDM may not be the best description of our universe.

연구 동기 및 목표

• 관측된 $H(z)$ 데이터를 활용하여 모델에 종속되지 않는 방법으로 다크 에너지 모델을 테스트하는 데 목적이 있다.
• $Om(z)$ 및 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 재구성을 다크 에너지 모델 간의 구별 기준으로 설정하는 데 목적이 있다.
• 최신 $H(z)$ 데이터에 대한 인기 있는 다크 에너지 모델—$\Lambda$CDM, GCG, CPL, JBP—의 진정성을 평가하는 데 목적이 있다.
• 고적색편에서 이론적 모델 예측과 재구성된 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 간의 괴리 원인을 조사하는 데 목적이 있다.
• 현재의 $H(z)$ 데이터가 $\Lambda$CDM 철학을 지지하는지 또는 도전하는지 평가하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 최신 $H(z)$ 관측 데이터를 모델에 종속되지 않는 방식으로 스무딩하기 위해 가우시안 프로세스를 적용한다.
• 스무딩된 $H(z)$ 데이터로부터 $Om(z)$ 진단 및 그의 첫 번째 도함수 $\mathcal{L}^{(1)}_m$를 재구성한다.
• 재구성된 $Om(z)$ 및 $\mathcal{L}^{(1)}_m$와 오차 범위를 모델에 종속되지 않는 구별 기준으로 사용한다.
• 1σ 및 2σ 신뢰 수준에서 $\Lambda$CDM, GCG, CPL, JBP 모델의 이론적 궤적을 재구성된 $Om(z)$ 및 $\mathcal{L}^{(1)}_m$와 비교한다.
• 이론적 예측값이 재구성된 오차 범위 내에 포함되는지 확인하여 모델의 일관성을 평가한다.
• 고적색편에서 $\mathcal{L}^{(1)}_m$의 행동을 분석하여 이론적 모델과의 잠재적 긴장 관계를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성된 $H(z)$ 데이터로부터 유도된 $Om(z)$ 및 $\mathcal{L}^{(1)}_m$는 다크 에너지 모델을 구별하는 데 신뢰할 수 있고 모델에 종속되지 않는 기준이 될 수 있는가?
• RQ2 1σ 및 2σ 신뢰 수준에서 $\Lambda$CDM, GCG, CPL, JBP 모델은 재구성된 $Om(z)$ 및 $\mathcal{L}^{(1)}_m$와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 왜 CPL 및 JBP 모델의 이론적 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 값은 저적색편에서 재구성된 값과 크게 이격되어 있는가?
• RQ4 $z > 1.5$에서 재구성된 $\mathcal{L}^{(1)}_m$이 0에서 점점 더 벗어나는 이유는 무엇이며, 이는 현재의 모델에 문제가 있음을 시사하는가?
• RQ5 고적색편 $H(z)$ 데이터는 $\Lambda$CDM 모델과 기타 표준 다크 에너지 모델을 어느 정도 도전하는가?

주요 결과

• CPL 및 JBP 모델은 이론적 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 궤적이 재구성된 값에서 유의미하게 이격되어 있어 1σ 신뢰 수준에서 기각된다.
• z–$\mathcal{L}^{(1)}_m$ 평면에서 $\Lambda$CDM 및 GCG 모델은 재구성된 $\mathcal{L}^{(1)}_m$의 1σ 오차 범위 내에서 일관성을 유지한다.
• 재구성된 $\mathcal{L}^{(1)}_m$은 $z > 1.5$에서 0에서의 체계적 이격을 보이며, 고적색편에서 이론적 모델과의 잠재적 긴장 관계를 시사한다.
• CPL 모델의 $1\sigma$ 신뢰 범위는 재구성된 $Om(z)$의 $2\sigma$ 범위와 겹치지만 여전히 $1\sigma$ 범위를 벗어나 있어 일관성이 없음을 나타낸다.
• 고적색편에서 관측된 $\mathcal{L}^{(1)}_m$의 이격은 현재의 다크 에너지 모델, $\Lambda$CDM를 포함하여 우주를 완전히 기술하지 못할 수 있음을 시사하며, Sahni 등과 Ding 등이 이전에 보고한 결과를 지지한다.
• 결과적으로 향후 고적색편 $H(z)$ 데이터가 관측된 이격이 실제인지 또는 데이터 희소성으로 인한 것인지 확인하기 위해 필수적이다.