[논문 리뷰] Instability in interacting dark energy and dark matter fluids

J. Väliviita, Elisabetta Majerotto외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 04. 02.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 55

한 줄 요약

이 논문은 일정한 상태방정식 매개변수 w를 가진 상호작용하는 어두운 에너지 모델을 조사하여, 조건부로 어두운 물질과의 결합조차도 초기 시기에 상대론적 편미분에서 비아디아바틱 불안정성을 유도함을 보여준다. 이 불안정성은 초하이퍼 스케일에서 곡률 편미분이 폭주하게 만들며, 표준 아디아바틱 초기 조건을 무효화하고, 그 외로 잘 행동하는 모델에 치명적인 결함을 드러낸다.

ABSTRACT

If dark energy interacts with dark matter, this gives a new approach to the coincidence problem. But interacting dark energy models can suffer from pathologies. We consider the case where the dark energy is modelled as a fluid with constant equation of state parameter w. Non-interacting constant-w models are well behaved in the background and in the perturbed universe. But the combination of constant w and a simple interaction with dark matter leads to an instability in the dark sector perturbations at early times: the curvature perturbation blows up on super-Hubble scales. Our results underline how important it is to carefully analyze the relativistic perturbations when considering models of coupled dark energy. The instability that we find has been missed in some previous work where the perturbations were not consistently treated. The unstable mode dominates even if adiabatic initial conditions are used. The instability also arises regardless of how weak the coupling is. This non-adiabatic instability is different from previously discovered adiabatic instabilities on small scales in the strong-coupling regime.

연구 동기 및 목표

• 상수 상태방정식 매개변수 w를 가진 상호작용 어두운 에너지 모델의 안정성을 조사하기 위해.
• 어두운 에너지가 어두운 물질과 결합할 때 어두운 영역 내 상대론적 편미분의 거동를 분석하기 위해.
• 특히 초기 시기에 발생할 수 있는 불안정성을 식별하고 특성화하기 위해.
• 이전 연구들이 편미분 처리가 일관되지 않아 이 불안정성을 간과했을 가능성을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 상수 상태방정식 매개변수 w를 가진 유체로 어두운 에너지를 모델링하기 위해.
• 상대론적 편미분 프레임워크 내에서 어두운 에너지와 어두운 물질 간의 단순 선형 상호작용을 도입하기 위해.
• 어두운 영역 편미분에 대한 연립 방정식을 초하이퍼 스케일 근사에서 풀기 위해.
• 상호작용 존재 하에서 곡률 편미분의 증가를 분석하기 위해.
• 아디아바틱 초기 조건 하에서의 결과를 비교하여 불안정 모드의 지배성을 평가하기 위해.
• 어두운 영역 내 불안정성의 기원을 규명하기 위해 상대론적 편미분 이론을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 에너지가 어두운 물질과 선형 상호작용을 하는 일정한 w 모델이 상대론적 편미분 하에서도 안정한가?
• RQ2 상호작용 어두운 에너지 모델에서 곡률 편미분은 초하이퍼 스케일에서 어떻게 행동하는가?
• RQ3 왜 이전 연구들은 이 불안정성을 감지하지 못했으며, 어떤 가정이 이 결함을 초래했는가?
• RQ4 어두운 에너지와 어두운 물질 간의 결합이 매우 약할 경우에도 이 불안정성은 지속되는가?
• RQ5 이 비아디아바틱 불안정성은 이전에 알려진 강결합 영역에서의 아디아바틱 불안정성과 어떻게 다를까?

주요 결과

• 상수 w를 가진 상호작용 어두운 에너지 모델에서 곡률 편미분은 초하이퍼 스케일에서 무한히 증가한다.
• 어두운 에너지와 어두운 물질 간의 결합이 매우 약할 때조차도 이 불안정성이 발생한다.
• 아디아바틱 초기 조건이 설정되어 있더라도 불안정 모드가 진화를 지배한다.
• 이 불안정성은 비아디아바틱이며, 강결합 영역에서 알려진 이전의 아디아바틱 불안정성과는 다름을 밝혀낸다.
• 이전 연구에서는 어두운 영역 내 상대론적 편미분 처리가 일관되지 않아 이 불안정성이 간과되었다.