[論文レビュー] Exploring a new interaction between dark matter and dark energy using the growth rate of structure

Martín G. Richarte, Lixin Xu|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、スケール因子のべき乗則とハッブルパラメータの変調を用いてパラメータ化された、ダークマターとダークエネルギーの新しい物性的相互作用を提案する。この相互作用により、ダークエネルギーからダークマターへのエネルギー移動が可能となる。CMB、BAO、RSD、SNe、HSTのデータを統合して分析した結果、大きな結合定数（ξ_c ≈ 0.344）と負の指数（β ≈ -0.509）が支持され、標準モデルとは著しく異なる物質パワー スペクトルおよびCMB音響ピークが得られる。

ABSTRACT

We present a phenomenological interaction with a scale factor power law form which leads to the appearance of two kinds of perturbed terms, a scale factor spatial variation along with perturbed Hubble expansion rate. We study both the background and the perturbation evolution within the parametrized post-Friedmann scheme, obtaining that the exchange of energy-momentum can flow from dark energy to dark matter in order to keep dark energy and dark matter densities well defined at all times. We combine several measures of the cosmic microwave background (WMAP9+Planck) data, baryon acoustic oscillation measurements, redshift-space distortion data, JLA sample of supernovae, and Hubble constant for constraining the coupling constant and the exponent provided both parametrized the interaction itself. The joint analysis of ${ m Planck+WMAP9+BAO}$ ${ m +RSD+JLA+HST}$ data seems to favor large coupling constant, $ξ_c = 0.34403427_{- 0.18907353}^{+ 0.14430125}$ at 1 $σ$ level, and prefers a power law interaction with a negative exponent, thus $β= -0.50863232_{- 0.40923857}^{+ 0.48424166}$ at 1 $σ$ level. The CMB temperature power spectrum indicates that a large coupling constant produces a shift of the acoustic peaks and affects their amplitudes at lower multipoles. In addition, a larger $β$ exponent generates a shift of the acoustic peaks, pointing a clear deviation with respect to the concordance model. The matter power spectrum are sensitive to the variation of the coupling constant and the $β$ exponent. In this context, the interaction alters the scale of matter and radiation equality and pushes it away from the present era, which in turn generates a shift of the turnover point toward to smaller scale.

研究の動機と目的

• ダークマターとダークエネルギーの間の不安定な初期時空の摂動を避ける新しい相互作用メカニズムを探索すること。
• スケール因子に依存する結合定数に加え、ハッブルレートの変動が宇宙構造の成長レートに与える影響を調査すること。
• Planck、WMAP9、BAO、RSD、JLA、HST の包括的データセットを用いて、相互作用パラメータを制約すること。
• この相互作用がCMB温度パワー スペクトルおよび物質パワー スペクトルに与える影響、特に音響ピークの位置とトゥルーナップスケールへの影響を評価すること。

提案手法

• 相互作用は、ハッブルパラメータとスケール因子のべき乗則の積としてモデル化され、結合定数 ξ_c と指数 β を含む。
• 背景および線形摂動の進化を検討するために、パラメータ化されたフォリエ・フレッドマン（PPF）フレームワークが用いられる。
• エネルギー運動量の交換は、ダークエネルギーからダークマターへの流れに制限され、時間的に正の密度を保証する。
• CosmoMC および CAMB を用いて、Planck2013+WMAP9+JLA+BAO+RSD+HST データの連合尤度解析により観測的制約が導かれる。
• 物質摂動の成長レートは、関数 f_m = d ln δ_m / d ln a として分析され、fσ_8 測定値と関連づけられる。
• 物質パワー スペクトルおよびCMB TT パワー スペクトルが計算され、観測結果と比較され、音響ピークおよびトゥルーナップポイントのシフトが評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール因子のべき乗則とハッブルレートの変調を併用した相互作用は、宇宙の全期間にわたり安定的で明確なダークエネルギーおよびダークマター密度を保証するか？
• RQ2 スケール因子およびハッブルレートの摂動を併用することにより、物質構造の成長レートにどのような影響を与えるか？
• RQ3 CMB、RSD、BAO、SNe、HST データを統合した場合、結合定数 ξ_c および指数 β に対する観測的制約は何か？
• RQ4 この相互作用は、CMB温度パワー スペクトルにおける音響ピークの位置と振幅にどのように影響を与えるか？
• RQ5 この相互作用は、物質-放射均衡スケールおよび物質パワー スペクトルのトゥルーナップポイントをどのようにずらすか？

主な発見

• Planck2013+WMAP9+JLA+BAO+RSD+HST データの連合解析は、1σ 確率で大きな結合定数 ξ_c = 0.34403427_{-0.18907353}^{+0.14430125} を支持しており、従来の10^{-3} 量級の推定値とは顕著に異なる。
• データは1σ 確率で負の指数 β = -0.50863232_{-0.40923857}^{+0.48424166} を支持しており、初期時空における強い相互作用効果を示唆する。
• 大きな結合定数は、CMB TT パワー スペクトルにおける最初の音響ピークのシフトと、低多重度における振幅の増加を引き起こし、標準モデルからの逸脱を示す。
• 物質パワー スペクトルでは、相互作用によるダークマター密度の増加に起因する物質-放射均衡の遅れにより、トゥルーナップポイントがより小さなスケールにずれる。
• この相互作用は有効重力定数を変化させ、物質摂動方程式に摩擦的項を導入し、成長レートを変化させる。
• 1σ 確率で、モデルはファントム的状態方程式を予測する。プランク2013と比較するとダークマター密度の差は0.11%であるが、プランクEE+lowP データを含めるとその差は2倍に増加する。