[論文レビュー] Constraining Models of Dark Energy

Eric V. Linder|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 40被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、宇宙膨張の幾何学的および成長プローブに注目して、ダークエネルギーモデルの観測的・理論的制約をレビューする。赤方偏移ドリフト、状態方程式の不確実性、重力のテストに関する新しい計算を提示し、現在の技術では直接的な加速測定が不可能であるものの、次世代の調査が膨張と構造成長のデータを統合することで、ダークエネルギーモデルと修正重力の区別が可能になると結論づけている。

ABSTRACT

One of the great endeavors of the past decade has been the evaluation of different observational techniques for measuring dark energy properties and of theoretical techniques for constraining models of cosmic acceleration given cosmological data. This chapter reviews a few of the key developments, promises, and cautions for revealing dark energy. We also present a few new calculations, on direct detection of acceleration through redshift drift, the minimum uncertainty in the equation of state, and testing gravity.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーの性質を制約する現在の観測技術と宇宙加速のモデル化を評価すること。
• 現在の技術的制限にもかかわらず、赤方偏移ドリフトによる宇宙加速の直接的測定の可能性を評価すること。
• 動的場、高エネルギー物理学的起源、f(R)重力理論を含む拡張重力理論のような代替ダークエネルギーモデルを検討すること。
• 特にDBIモデルとf(R)モデルの予測を、膨張および構造成長に関する観測データと比較すること。
• 次世代の調査で、コスモロジカル定数と代替ダークエネルギー機構を区別できる主要な観測的シグナルを同定すること。

提案手法

• タイプIa超新星の距離-赤方偏移関係を用いた幾何的プローブを用いて、ダークエネルギーの状態方程式$w$と$Ω_{de}$を制約する。
• 物質密度摂動および重力ポテンシャルの進化を分析する成長プローブを適用し、一般相対性理論および$\Lambda$CDMからのずれをテストする。
• 測地線方程式と計量摂動を用いて赤方偏移ドリフト$dz/dt_0$を導出し、$\dot{u}$、$\psi$、$\phi$、$k^\mu$の寄与を含む。
• DBI（ディラック＝ボーン＝インフェルト）モデルを評価し、$V/T$に関する単純な条件の下で、宇宙歴史を通じて$w \approx -1$が自然に維持されることを示す。
• 特に$f(R) = -c r (1 - e^{-R/r})$という$f(R)$重力モデルを分析し、コスモロジカル定数がなくても$w \approx -1$を再現できることを示す。
• CMB、弱引力レンズ、大規模構造の観測データとモデルの予測を比較し、$\Lambda$CDMからの区別可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移ドリフトは宇宙加速の直接的測定を可能にするか。観測上の挑戦は何か。
• RQ2 現在および将来のデータによって、ダークエネルギーの状態方程式$w$はどの程度正確に制約できるか。
• RQ3 $f(R)$重力モデルは、コスモロジカル定数がなくても$\Lambda$CDMの振る舞いをどの程度再現できるか。
• RQ4 DBIのような動的ダークエネルギーモデルとコスモロジカル定数を区別する観測的シグナルは何か。
• RQ5 統合された成長および膨張プローブは、宇宙加速の背後にある物理を特定するのにどのように役立つか。

主な発見

• ユニオン2超新星データセットに他のプローブを組み合わせた結果、$\Omega_{de} = 0.281 \pm 0.017$および$w = -1.03 \pm 0.09$が得られ、コスモロジカル定数と整合的である。
• 赤方偏移ドリフトは理論的には測定可能だが、$w$の1%の精度を得るには$\delta z \sim 10^{-12}$/年が必要であり、現在の技術では著しく超えている。
• DBIモデルは、$V/T$に関する単純な条件の下で、非自明な力学でさえも、宇宙歴史を通じて$w \approx -1$を自然に維持する。
• $f(R)$モデル$f(R) = -c r (1 - e^{-R/r})$は、$c > 1$のとき$w \approx -1$を生成し、コスモロジカル定数がなくても$\Lambda$CDMを模倣する。
• f(R)モデルにおける成長歴は$\Lambda$CDMとは異なる可能性があり、膨張歴が類似しているにもかかわらず、観測的シグナルを提供する。
• 将来の広視野イメージングおよびスペクトロスコピック調査により、膨張と成長の両方のテストを統合することで、ダークエネルギーモデルと修正重力の区別が可能になると予想される。