[論文レビュー] Constraints on the interaction and self-interaction of dark energy from cosmic microwave background

Luca Amendola, Claudia Quercellini+2 more|ArXiv.org|May 7, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 36被引用数 63

ひとこと要約

この論文は、宇宙背景放射（CMB）データを用いて、ダークエネルギーとダークマターの間の結合を制限し、ダークエネルギーのポテンシャルにかかわらず95%信頼水準でβ < 0.16の境界が得られた。CMBは、その有効状態方程式への影響のおかげで、この結合に対して非常に感受性が高く、一方でハッブル定数hに対する強い事前分布がない限り、ダークエネルギーのポテンシャルに対しては感受性が低い。

ABSTRACT

It is well-known that even high quality cosmic microwave background (CMB) observations are not sufficient on their own to determine the equation of state of the dark energy, due to the effect of the so-called geometric degeneracy at large multipoles and the cosmic variance at small ones. In contrast, we find that CMB data can put tight constraints on another fundamental property of the dark energy, namely its coupling to dark matter. We compare the current high-resolution CMB data to models of dark energy characterized by an inverse power law or exponential potential and by the coupling to dark matter. We determine the curve of degeneracy between the dark energy equation of state and the dimensionless Hubble parameter h and show that even an independent perfect determination of h may be insufficient to distinguish dark energy from a pure cosmological constant with the current dataset. On the other hand, we find that the interaction with dark matter is firmly bounded, regardless of the potential. In terms of the dimensionless ratio βof the dark energy interaction to gravity, we find β&lt;0.16 (95% c.l.). This implies that the effective equation of state between equivalence and tracking has been close to the pure matter equation of state within 1% and that scalar gravity is at least 40 times weaker than tensor gravity. Further, we show that an experiment limited by cosmic variance only, like the Planck mission, can put an upper bound β&lt; 0.05 (95% c.l.). This shows that CMB observations have a strong potentiality not only as a test of cosmic kinematics but also as a gravitational probe.

研究の動機と目的

• CMBデータを用いて、ダークエネルギーのポテンシャルとそのダークマターへの結合を同時に制限すること。
• 現在のCMB観測が、特にダークマターとの相互作用の役割に注目して、ダークエネルギーモデルと定数項宇宙論を区別できるかどうかを調査すること。
• 強い宇宙論的パラメータの事前分布に依存しない形で、CMB非一様性がダークエネルギーの状態方程式および結合強度にどの程度感受性を持つかを評価すること。
• 将来の実験（例：Planck）がダークエネルギー-ダークマター結合の制限をどの程度改善できるかを評価すること。
• 初期条件やダークエネルギーのポテンシャルの形の変化に対して、結合の制限がどれほど頑健であるかをテストすること。

提案手法

• 平坦なフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー計量におけるスカラー場、ダークマター、放射、バリオンの時間発展を記述する次元なし変数（x, y, z, v, w）を用いた動的システムアプローチを採用する。
• Brans-Dicke型ラグランジアンから導かれる、重力に対する結合強度の比であるβでパrameter化された一般化された相互作用項をモデルに組み込む。
• Boomerang、Maxima、DASIなどの高分解能CMBデータを用いて、β、ポテンシャル指数N、hなどの宇宙論的パラメータの尤度を計算する。
• hとwϕのデゲネラシー曲線を導出し、観測データと比較することで、CMBスペクトルが異なるパラメータにどの程度感受性を持つかを評価する。
• 全パラメータについて周辺尤度を計算し、95%信頼水準での制限を導出する。宇宙年齢が10 Gyr以上であるという事前分布も使用する。
• hの異なる事前分布の下での結果を比較し、将来の実験（例：Planck）の期待される性能を、宇宙分散限界のみを仮定して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のCMBデータは、ダークエネルギーのポテンシャルに依存せずに、ダークエネルギーとダークマターの結合強度βを独立して制限できるか？
• RQ2 CMB非一様性は、スカラー場の物質支配期（ϕ MDE）における有効状態方程式にどの程度感受性を示すか？
• RQ3 hとwϕのデゲネラシーは、CMBデータによるダークエネルギーのポテンシャル制限の能力をどの程度制限するか？
• RQ4 現在のCMBデータを用いてβにどの程度の上限を設定できるか。また、将来の実験（例：Planck）ではその上限はどのように改善されるか？
• RQ5 βの制限は、初期条件やダークエネルギーのポテンシャルの形に依存するか？

主な発見

• CMBデータは、ダークエネルギーのポテンシャルにかかわらず、95%信頼水準でダークエネルギー-ダークマター結合強度がβ < 0.16に制限されることを示している。
• スカラー場の物質支配期（ϕ MDE）における有効状態方程式は1 < wϕ(ϕ MDE) < 1.01に制限されており、物質支配状態の値から1%以内に収まっていることが示された。
• βの制限は、ハッブル定数hの事前分布に依存せず、安定している。これは、ダークエネルギーのポテンシャルや状態方程式の制限とは対照的である。
• 将来の実験（例：Planckミッション）が宇宙分散限界でのみ制限を受けると仮定した場合、βの上限は95%信頼水準でβ < 0.05に改善される。
• 現在のデータではスカラー重力結合はテンソル重力より少なくとも40倍弱く、Planckの感度に相当する場合、少なくとも400倍弱い。これは一般相対性理論からの逸脱に対する強い制限を示している。
• 全ダークエネルギー密度は95%信頼水準でΩϕ > 0.60に制限されており、βに顕著な依存性はない。ただし、非ゼロのβはやや高いh値を支持する傾向にある。