[論文レビュー] High-z massive clusters as a test for dynamical coupled dark energy

Marco Baldi, V. Pettorino|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、標準的ΛCDMモデルでは極めて低い確率（p≈0.005）で発生するとされる、赤方偏移z≈1.4、質量M≈6.4×10¹⁴ M⊙の高赤方偏移大質量銀河団XMMU J2235.3-2557の検出が示す矛盾を、動的結合されたダークエネルギーモデルがどのように解消できるかを調査している。定数結合および時間に依存する結合を持つN体シミュレーションを用いて、このようなモデルが高赤方偏移における大質量銀河団の形成確率を著しく向上させることを示している。定数結合では10倍、変動結合では2〜3倍の向上が得られ、非ガウス初期条件を必要としないΛCDMモデルの代替案として有効であることが示された。

ABSTRACT

The recent detection (Jee etal 2009) of the massive cluster XMMU J2235.3-2557 at a redshift z = 1.4, with an estimated mass M = 6.4 +- 1.2 X 10^14 M_sol, has been claimed to be a possible challenge to the standard LCDM cosmological model. More specifically, the probability to detect such a cluster has been estimated to be 0.005 if a LCDM model with gaussian initial conditions is assumed, resulting in a 3 sigma discrepancy from the standard cosmological model. In this paper we propose to use high redshift clusters as the one detected in Jee etal 2009 to compare the cosmological constant scenario with interacting dark energy models. We show that coupled dark energy models, where an interaction is present between dark energy and cold dark matter, can significantly enhance the probability to observe very massive clusters at high redshift.

研究の動機と目的

• ガウス初期条件下で非常に低い確率（p≈0.005）で発生するとされる、高赤方偏移の大質量銀河団XMMU J2235.3-2557の観測が、ΛCDMモデルに挑戦する理由を評価すること。
• ダークエネルギーとコールドダークマターの間で相互作用する動的結合ダークエネルギーモデルが、高赤方偏移における大質量ハローの形成確率を高めることで、この矛盾を緩和できるかを検討すること。
• 異なる結合強度とスカラー場ポテンシャルを用いたN体シミュレーションを通じて、結合ダークエネルギーモデルとΛCDMモデルの累積的ハロー質量関数を比較すること。
• 特に銀河団の質量と赤方偏移に着目し、観測された銀河団の存在頻度と宇宙論的制約が整合するかを評価すること。

提案手法

• スカラー場ポテンシャルU(φ) = U₀φ⁻αおよびU(φ) = U₀e⁻αφを用いた、GADGET-2コードの改変版を用いて、結合ダークエネルギーモデルにおける構造形成をシミュレートした。
• 定数β=0.2と時間に依存するβ(φ)=0.4·e²φの2種類の結合を実装し、現在の観測からの制約を満たすようにした。
• 解像度と統計的信頼性を確保するため、ボックスサイズ（320 h⁻¹ Mpcおよび80 h⁻¹ Mpc）と粒子数（256³〜2×512³）を変更したN体シミュレーションを実施した。
• z≈1.4におけるΛCDMモデルと結合ダークエネルギーモデルの間で、累積的ハロー質量関数を計算・比較し、大質量銀河団の検出確率を評価した。
• 数値的アーティファクトを最小限に抑えるために、低解像度シミュレーションではεₛ = 25.0 h⁻¹ kpc、高解像度シミュレーションでは3.5 h⁻¹ kpcの重力ソフトニングを用いた。
• z≈60（非結合後）でモデルを正規化し、高赤方偏移にまで外挿することで、ハロー形成レートに与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 定数結合と時間に依存する結合の両方において、ΛCDMモデルと比較して、高赤方偏移（z≈1.4）における大質量銀河団の形成確率が著しく向上するか？
• RQ2 結合強度（定数 vs. 時間に依存する）およびスカラー場ポテンシャルの違いが、銀河団形成確率の向上にどのように影響するか？
• RQ3 XMMU J2235.3-2557がΛCDMモデルとガウス初期条件下で極めて低い確率で発生するとされるという矛盾を、結合ダークエネルギーモデルがどの程度解消できるか？
• RQ4 σ₈の赤方偏移依存性が、ΛCDMモデルと結合ダークエネルギーモデルを区別する観測的テストとして利用可能かどうか。特に、これらのモデルではσ₈が最大20％まで増加するため、その影響を検討した。

主な発見

• 定数結合を持つ結合ダークエネルギーモデル（β=0.2）では、M>10¹⁴ M⊙のハローに対して、z≈1.4における大質量銀河団の検出確率がΛCDMモデルと比較して少なくとも10倍向上している。
• 時間に依存する結合モデル（β(φ)=0.4·e²φ）では、z≈1.4における銀河団形成確率がΛCDMモデルと比較して少なくとも2〜3倍向上している。
• 結合ダークエネルギーモデルで形成された最も大きなハローは、対応するΛCDMシミュレーションと比較して、一貫して質量が大きく、XMMU J2235.3-2557の正確な質量に達していないものの、その傾向が明確に観測された。
• ハロー質量関数の高質量端における増加は、質量に強く依存する非線形効果を示しており、質量依存性が顕著に現れている。
• 結合ダークエネルギーによる低赤方偏移におけるσ₈の増加は、最大許容結合強度でも≤20％に限定されており、高赤方偏移におけるCMBデータと整合的である。
• σ₈の赤方偏移依存性は、ΛCDMモデルと結合ダークエネルギーモデルを区別する可能性のある観測的テストを提供し、σ₈がΛCDMモデルで高くなるというデゲネラシーを打破できる。