[논문 리뷰] Testing the EoS of dark matter with cosmological observations

Arturo Avelino, Norman Cruz외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 20.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 최신 천체물리 관측자료인 SNe Ia, CMB, BAO 및 허블 파라미터 데이터를 이용하여 암흑물질의 상태방정식(parameter $w_{\rm dm}$)을 시험한다. 분석 결과 $w_{\rm dm} \approx 0.005 \pm 0.001$로 나타나 따뜻한 암흑물질(warm dark matter)에 대한 강력한 증거를 보이며, 우주상수보다는 페난트 암흑에너지 성분($w_{\rm de} \approx -1.11$)을 선호한다.

ABSTRACT

We explore the cosmological constraints on the parameter w_dm of the dark matter barotropic equation of state (EoS) to investigate the "warmness" of the dark matter fluid. The model is composed by the dark matter and dark energy fluids in addition to the radiation and baryon components. We constrain the values of w_dm using the latest cosmological observations that measure the expansion history of the Universe. When w_dm is estimated together with the parameter w_de of the barotropic EoS of dark energy we found that the cosmological data favor a value of w_dm = 0.006 +- 0.001, suggesting a -warm- dark matter, and w_de= -1.11 +- 0.03$ that corresponds to a phantom dark energy, instead of favoring a cold dark matter and a cosmological constant (w_dm = 0, w_de = -1). When w_dm is estimated alone but assuming w_de = -1, -1.1, -0.9, we found w_dm = 0.009 +- 0.002, 0.006 +- 0.002, 0.012 +- 0.002 respectively, where the errors are at 3 sigma (99.73%), i.e., w_dm > 0 with at least 99.73% of confidence level. When (w_dm, Ω_dm0) are constrained together, the best fit to data corresponds to (w_dm=0.005 +- 0.001, Ω_dm0 = 0.223 +- 0.008) and with the assumption of w_de = -1.1 instead of a cosmological constant (i.e., w_de = -1). With these results we found evidence of w_dm > 0 suggesting a -warm- dark matter, independent of the assumed value for w_{ m de}, but where values w_de < -1 are preferred by the observations instead of the cosmological constant. These constraints on w_dm are consistent with perturbative analyses done in previous works.

연구 동기 및 목표

• 현재 천체물리 관측자료를 이용해 암흑물질의 비압축 상태방정식 매개변수 $w_{\rm dm}$을 제약하는 것.
• 암흑물질이 냉각 암흑물질($w_{\rm dm} = 0$)이 아니라 따뜻한 암흑물질($w_{\rm dm} > 0$)으로 더 잘 기술되는지 시험하는 것.
• 암흑물질 상태방정식 매개변수 $w_{\rm dm}$과 암흑에너지 상태방정식 매개변수 $w_{\rm de}$ 간의 상호작용을 분석하고, 특히 $\Lambda$CDM 모형과의 비교를 통해 그 의미를 규명하는 것.
• 유도된 $w_{\rm dm}$ 값이 펌프팅 이론 분석과 천체의 연령 제약 조건과 일관된지 평가하는 것.

제안 방법

• 분석은 암흑물질, 암흑에너지, 복사 및 복합체를 포함하는 천체물리 모형을 사용하며, 암흑물질에 대해 비압축 상태방정식을 적용한다.
• 관측자료로는 SNe Ia(Union 2.1), CMB(WMAP-7y)의 $\mathcal{R}$, $l_A$, $z_*$, $z=0.275$에서의 BAO 거리 비율, 그리고 다양한 적성에서의 허블 파라미터 측정치를 포함한다.
• 매개변수 $w_{\rm dm}$과 $w_{\rm de}$는 $\chi^2$ 최소화를 통한 공동 우도 분석을 통해 제약된다.
• 다양한 가정 하에 분석을 수행한다: $w_{\rm de}$를 $-1$, $-1.1$, $-0.9$로 고정하고 $\Omega_{\rm dm0}$은 $w_{\rm dm}$과 함께 변동시킨다.
• 99.73% 신뢰수준(3$\sigma$)에서 $w_{\rm dm} > 0$의 유의성을 평가하기 위해 신뢰구간을 계산한다.
• 최적 적합 값에서 천체의 연령을 계산하여 독립적 추정치와의 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천체물리 관측자료는 전통적인 $w_{\rm dm} = 0$ 냉각 암흑물질 모형보다 $w_{\rm dm} \neq 0$를 선호하는가, 즉 따뜻한 암흑물질을 지시하는가?
• RQ2 유도된 $w_{\rm dm}$ 값은 암흑에너지 상태방정식 매개변수 $w_{\rm de}$의 가정된 값에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 특히 $w_{\rm de} \neq -1$일 경우, 최적 적합 모형은 관측된 천체 연령과 일관된가?
• RQ4 자유 매개변수로 $\Omega_{\rm dm0}$을 포함할 경우, $w_{\rm dm}$에 대한 제약 조건은 어떻게 변화하며, 이는 우주상수 이외의 암흑에너지 모형을 선호하는가?

주요 결과

• SNe Ia, CMB, BAO 및 $H(z)$ 자료의 공동 분석에서 $w_{\rm de}$도 자유 매개변수로 둘 경우 $w_{\rm dm} = 0.006 \pm 0.001$을 도출하여 따뜻한 암흑물질을 지시한다.
• 자료는 $w_{\rm de} = -1.11 \pm 0.03$로 나타나 우주상수($w_{\rm de} = -1$)보다 페난트 암흑에너지 성분을 선호함을 보인다.
• 만약 $w_{\rm de}$를 $-1$, $-1.1$, $-0.9$로 고정할 경우, 유도된 $w_{\rm dm}$ 값은 각각 $0.009 \pm 0.002$, $0.006 \pm 0.002$, $0.012 \pm 0.002$로 나타나 모두 99.73% 신뢰수준에서 $w_{\rm dm} > 0$임을 확인한다.
• 최적 적합 모형에서 $w_{\rm de} = -1.1$일 경우 $w_{\rm dm} = 0.005 \pm 0.001$ 및 $\Omega_{\rm dm0} = 0.223 \pm 0.008$를 도출하여 자료 간 일관성을 보인다.
• 최적 적합 매개변수에서 계산된 천체의 연령은 관측 결과와 일관되나, $w_{\rm de} = -0.9$일 경우는 이의 일관성이 깨져 갈등을 보인다.
• 이전의 펌프팅 이론 분석과 일致하여 $w_{\rm dm}$에 대한 제약 조건은 동일한 좁은 범위 내에 존재한다.