[論文レビュー] Constraints on the decay of dark matter to dark energy from weak lensing bispectrum tomography

Bjoern Malte Schaefer, Gabriela Caldera-Cabral+1 more|ArXiv.org|Mar 14, 2008

Scientific Research and Discoveries参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、DUNE調査における弱引力レンズ効果の三次数スペクトルトモグラフィーを用いて、冷たい暗黒物質（CDM）が暗黒エネルギーに崩壊する現象的崩壊を調査する。今後の大規模レンズ効果調査が、CDM崩壊率Γを ∼7.7/H₀ ≈ 75.3 Gyr/h という下限まで制約できることを予測しており、これはw ≈ −1の場合、宇宙の年齢内に観測された暗黒エネルギー密度をCDM崩壊が説明できないことを示唆している。

ABSTRACT

We consider a phenomenological model for a coupling between the dark matter and dark energy fluids and investigate the sensitivity of a weak lensing measurement for constraining the size of this coupling term. Physically, the functional form of the coupling term in our model describes the decay of dark matter into dark energy. We present forecasts for tomographic measurements of the weak shear bispectrum for the DUNE experiment in a Fisher-matrix formalism, where we describe the nonlinearities in structure formation by hyper-extended perturbation theory. Physically, CDM decay tends to increase the growth rate of density perturbations due to higher values for the CDM density at early times, and amplifies the lensing signal because of stronger fluctuations in the gravitational potential. We focus on degeneracies between the dark energy equation of state properties and the CDM decay constant relevant for structure formation and weak lensing. A typical lower bound on the CDM decay time ~7.7/H_0 = 75.3 Gyr/h$ which could be provided by DUNE would imply that it would not possible to produce the dark energy content of the universe by CDM decay within the age of the Universe for a constant equation of state parameter of w close to -1.

研究の動機と目的

• 弱引力レンズ測定を用いて、冷たい暗黒物質（CDM）が暗黒エネルギーに崩壊する可能性を制約できるかを調査すること。
• CDM崩壊が暗黒エネルギーを生成するモデルを検証することで、宇宙論的一致問題に取り組むこと。
• DUNEの弱レンズ調査を用いて、CDM崩壊率Γ、暗黒エネルギーの状態方程式w₀、wₐ、およびその他の宇宙論的パラメータのパラメータ制約を予測すること。
• 構造形成およびレンズ効果観測量におけるΓと暗黒エネルギーパラメータのデゲネラシーを定量化すること。
• レンズ効果三次数スペクトルトモグラフィーが、同じHubble膨張歴を示すがCDMが安定な標準的暗黒エネルギーモデルとは異なるCDM崩壊モデルを識別できることを示すこと。

提案手法

• CDMが一定速度Γで暗黒エネルギーに崩壊する現象的カップルド暗黒エネルギーモデルを用い、エネルギーバランス方程式の系で記述する。
• 非線形構造形成効果をCDM崩壊状況でモデル化するために、ハイパーエクステンデッド摂動理論を適用する。
• スケールおよび赤方偏移依存のクラスタリングおよびレンズ効果信号を捉えるために、赤方偏移ビン分割方式を用いた弱レンズ効果のスヘア三次数スペクトルを計算する。
• CMB事前情報を取り入れて感度を向上させるために、フィッシャー行列形式を用いてDUNEのパラメータ制約を予測する。
• 音速がcに近い均一な暗黒エネルギー流体を仮定し、重力ポテンシャルにニュートンのポアソン方程式を適用することが正当化される。
• CDM崩壊モデルにおけるレンズ信号を標準的ΛCDMと比較し、初期段階でのCDM密度の増大が重力ポテンシャルおよびレンズ効果パワーを強化することに注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱レンズ効果三次数スペクトルトモグラフィーは、冷たい暗黒物質が暗黒エネルギーに崩壊するのを検出または制約できるか？
• RQ2 CDM崩壊は、標準的ΛCDMと比較して、密度摂動の成長およびそれによるレンズ効果信号にどのように影響を与えるか？
• RQ3 CDM崩壊率Γと暗黒エネルギーの状態方程式パラメータw₀およびwₐとの間のデゲネラシーは何か？
• RQ4 Hubble膨張歴が同一であるにもかかわらず、DUNEのようなレンズ調査はCDM崩壊モデルとCDMが安定な標準的暗黒エネルギーモデルを区別できるか？
• RQ5 レンズ効果によるΓの制約は、超新星観測や他のプローブによるものと比較してどうなるか？

主な発見

• DUNEの弱レンズ調査は、CDM崩壊率Γを ∼7.7/H₀ ≈ 75.3 Gyr/h という下限まで制約できると予測されている。これはCDM寿命が75.3 Gyr/hを超えることを示唆している。
• この制約は、w ≈ −1の場合、宇宙の年齢内に観測された暗黒エネルギー密度をCDM崩壊が説明できないことを示している。
• CDM崩壊率Γは、暗黒エネルギーの状態方程式パラメータw₀およびwₐとデゲネラシーを示すが、十分な統計的パワーがあれば、レンズ効果三次数スペクトルトモグラフィーがこのデゲネラシーを解消できる。
• CMB事前情報が含まれる場合、w₀およびwₐに対する相対的精度は約10%、Ωₘおよびσ₈に対しては約1%に達する。
• 初期段階での重力ポテンシャルが強くなるため、CDM崩壊モデルではレンズ効果信号が増幅される。これは初期CDM密度が高いためである。
• 超新星の距離輝度差は、z=0.1でわずか0.01%程度にとどまるが、成長関数およびレンズ効果観測量では、より強く、区別可能なシグナルが現れる。