[논문 리뷰] Domain Wall Dominated Universes

Richard A. Battye, Martin Bucher외 1명|arXiv (Cornell University)|1999. 08. 05.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 우주 상수 없이도 우주 팽창을 설명할 수 있는 고체 어두운 물질 성분을 가진 도메인 월 지배 우주를 제안한다. 이 성분은 $w = -2/3$를 가지며, 소규모 스케일에서는 응집되지 않으며, CMB 및 대규모 구조 관측과도 일치한다. 또한 CMB 이방성 패tern과 중력 렌즈 효과를 통해 퀸티세스와 구별될 수 있다.

ABSTRACT

We consider a cosmogony with a dark matter component consisting of a network of frustrated domain walls. Such a network provides a solid dark matter component with $p=-(2/3)ρ$ that remains unclustered on small scales and with $Ω_{ m dw}\approx 0.7$ can reconcile a spatially flat universe with the many observations indicating $Ω_{ m m}\approx 0.3.$ Because of its large negative pressure, this component can explain the recent observations indicating an accelerating universe without recourse to a non-vanishing cosmological constant. We explore the viability of this proposal and prospects for distinguishing it from other kinds of proposed dark matter with significant negative pressure.

연구 동기 및 목표

• 우주 팽창을 설명하는 데 있어 우주 상수의 대안으로 도메인 월 지배 우주가 타당한지 탐색하기.
• 음의 압력을 가진 고체 어두운 물질 성분이 평탄한 우주와 관측된 물질 밀도($\Omega_{\rm m} \approx 0.3$)를 어떻게 조화시킬 수 있는지 평가하기.
• 고체 어두운 물질의 비영인 비틀림 모odulus가 퀸티세스 또는 $\Lambda$ 모델과 비교해 우주론적 불안정성과 CMB 이방성에 어떤 영향을 미치는지 조사하기.
• 미래의 CMB 및 대규모 구조 관측이 고체 어두운 물질을 다른 어두운 에너지 후보와 어떻게 구별할 수 있는지 결정하기.
• 모델이 X선 은하단 관측에서 COBE 정규화된 $\sigma_8$ 제약 조건과 일치하는지 평가하기.

제안 방법

• 비틀림 모odulus가 비영이면서 $w = -2/3$인 고체 어두운 물질 성분이 존재하는 상황에서의 우주론적 불안정성에 대한 수학적 기법.
• CMBFAST를 사용하여 다양한 음속과 $\Omega_{\rm m}$를 가진 도메인 월 지배 모델의 CMB 이방성 스펙트럼을 계산하기.
• 상대적 우도 함수 $\langle \ln(P_A/P_B) \rangle = -\frac{1}{2} \sum_\ell (2\ell+1) \left[1 - \frac{C_\ell^{(A)}}{C_\ell^{(B)}} + \ln\left(\frac{C_\ell^{(A)}}{C_\ell^{(B)}}\right) \right]$를 사용해 모델의 우도를 비교하기.
• COBE 데이터에 정규화된 $\sigma_8$를 $\Omega_{\rm m}-h$ 평면에서 $w = -2/3$ 및 $n = 1.0, 1.1$에 대해 평가하기.
• CMB 이방성에 대한 텐서 기여를 통합하여 $\sigma_8$에 대한 상한 제약 조건을 완화하기.
• 중력 렌즈 및 대규모 구조와의 상관관계 분석을 통해 고체 어두운 물질을 식별할 수 있는 잠재적 탐사 수단으로서의 활용 고려하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $w = -2/3$인 도메인 월 지배 우주가 우주 상수 없이도 관측된 우주 팽창을 설명할 수 있는가?
• RQ2 고체 어두운 물질의 비영인 비틀림 모odulus가 퀸티세스 또는 $\Lambda$ 모델과 비교해 우주론적 불안정성과 CMB 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 미래의 CMB 및 대규모 구조 관측이 고체 어두운 물질을 다른 어두운 에너지 후보와 얼마나 잘 구별할 수 있는가?
• RQ4 도메인 월 지배 모델이 X선 은하단 관측에서 COBE 정규화된 $\sigma_8$ 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 고체 어두운 물질 내 진동의 음속이 유사한 $w$를 가진 다른 모델과의 차별화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 우주 상수 없이도 $w = -2/3$와 $\Omega_{\rm dw} \approx 0.7$를 가진 도메인 월 지배 우주 모델은 공간적으로 평탄한 우주와 $\Omega_{\rm m} \approx 0.3$를 동시에 만족시키며, 우주 팽창을 설명할 수 있다.
• 고체 어두운 물질의 음속에 의해 결정되는 큰 제인 길이 덕분에 소규모 스케일에서는 응집되지 않아 은하 스케일 탐사에서 탐지되지 않으며, 이는 이론적 타당성을 높인다.
• 모델의 $w = -2/3$일 경우, CMB 이방성 스펙트럼의 $C_\ell$ 행동이 유사하므로 CMB 이방성 스펙트럼만으로는 고체 어두운 물질과 퀸티세스를 거의 구별할 수 없다.
• 모델의 $w = -1/3$일 경우, 음속과 비등방성 응력의 차이 덕분에 고체 어두운 물질과 퀸티세스 모델을 명확히 구별할 수 있다.
• 모든 $w = -2/3$ 모델은 동일한 $\Omega_{\rm m}$를 가진 $\Lambda$ 모델과는 명백히 구별되며, $\Omega_{\rm m}$가 감소할수록 더욱 뚜렷하다.
• 고체 어두운 물질 모델은 X선 은하단 관측에서의 $\sigma_8$ 제약 조건과도 일치하며, $n = 1.0$ 및 $n = 1.1$일 경우 $\Omega_{\rm m}-h$ 평면에서 타당한 영역이 존재한다. 특히 $h$가 증가하거나 텐서 기여가 포함될 경우 더욱 타당성이 높아진다.