[論文レビュー] Perturbations in dark energy models with evolving speed of sound

R. Ansari, Sanil Unnikrishnan|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、k-essence型のダークエネルギー模型における有効音速の時間的変化（cₑ²）が、寒冷ダークマター（CDM）パワースペクトルに与える影響を調査している。両者（wの時間的変化とcₑ²の時間的変化）がΛCDMと比較してCDMパワースペクトルを抑制するが、その影響はwの変化の方が顕著に強い。cₑ²の時間的変化の影響は、主に中間スケール（k ~ 0.01h/Mpc）でのみ検出可能であり、小スケールおよび大スケールでは、断熱的または無視できるダークエネルギーの摂動のため、顕著な影響を持たない。

ABSTRACT

The behavior of perturbation in scalar field dark energy and its consequent effect on the cold dark matter (CDM) power spectrum is well understood to be governed by the equation of state (EOS) parameter and the effective speed of sound (ESS) of dark energy. In this paper, we investigate whether dark energy models whose ESS are epoch dependent leaves any distinct imprints on the large scale CDM power spectrum. In particular, we compare the cases where the ESS is decreasing with time with those where it increases. The CDM power spectrum is found to be generically suppressed in these cases as compared to the $Λ$CDM model. The degree of suppression at different length scales can, in principle, reflect the evolving nature of the ESS of dark energy. However, we find that the effect on the CDM power spectrum in cases where the ESS of dark energy is evolving with constant EOS parameter is significantly smaller as compared to the situation where ESS is constant whereas EOS parameter is evolving. Further, it is also shown that the effect of different evolution of ESS for a given evolution of EOS parameter of dark energy on the CDM power spectrum is significant only at the intermediate scales (around $k \sim 0.01h/Mpc$). At scales much smaller and larger than the Hubble radius, it is the evolution of EOS parameter of dark energy which governs the degree of suppression of CDM power spectrum with respect to the $Λ$CDM model.

研究の動機と目的

• スカラー場ダークエネルギー模型における、時刻依存の有効音速（cₑ²）が大スケールCDMパワースペクトルに与えるインプリントを調査すること。
• 時間的変化するcₑ²と時間的変化する状態方程式（w）がCDMパワースペクトルの抑制に与える相対的影響を比較すること。
• 固定されたw(a)に対して、cₑ²(a)の異なる関数形がCDMパワースペクトルに与えるスケール依存の感度を特定すること。
• ダークエネルギーの有効音速が物質パワースペクトルに測定可能な痕跡を残す、どの宇宙論的スケール上にあるかを明確にすること。
• cₑ²の時間的変化がΛCDMを超えるダークエネルギー模型を区別する観測的意義を評価すること。

提案手法

• 解析的手法を用いて、事前に指定されたw(a)およびcₑ²(a)の関数形からk-essenceのラグランジアンF(X)およびV(φ)を再構成すること。
• 時間的変化するwおよびcₑ²を持つスカラー場ダークエネルギー模型の、背景方程式と摂動方程式の連立系を解くこと。
• 異なるw(a)およびcₑ²(a)のシナリオ下で、CDM摂動成長方程式を数値的に進める。これにより物質パワースペクトルを計算すること。
• 波数kの範囲にわたって、得られたCDMパワースペクトルをΛCDMのベンチマークと比較すること。
• 異なる赤方偏移における断熱的摂動とエントロピー摂動の寄与を分離し、抑制のスケール依存性を分析すること。
• 定数wのモデルと変化するcₑ²(a)のモデル、および定数cₑ²のモデルと変化するwのモデルを比較することにより、cₑ²(a)の時間的変化が顕著なインプリントを残す領域を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギーにおける有効音速（cₑ²）の時間的変化は、大スケールCDMパワースペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ΛCDMと比較した場合、CDMパワースペクトルの抑制を決定づける要因として、時間的変化するwと時間的変化するcₑ²の相対的重みは何か？
• RQ3 cₑ²(a)の時間的変化がCDMパワースペクトルに顕著に現れる宇宙論的スケール（波数kの観点から）はどの範囲か？
• RQ4 ホライズン半径よりもはるかに小さいスケールでは、なぜCDMパワースペクトルの抑制がcₑ²(a)にほとんど依存しないのか？
• RQ5 固定されたw(a)に対して、cₑ²(a)の異なる関数形がCDMパワースペクトルに識別可能な痕跡を残すことができるか？

主な発見

• スカラー場ダークエネルギー模型では、wやcₑ²が時間的変化するかどうかに関わらず、一般にΛCDMモデルと比較してCDMパワースペクトルが抑制される。
• 時間的変化するw(a)による抑制は、時間的変化するcₑ²(a)による抑制よりも顕著に強く、wがパワースペクトル抑制の主因である。
• cₑ²(a)の時間的変化がCDMパワースペクトルに与える影響は、主に中間スケール、具体的にはk ~ 0.01h/Mpc付近でのみ顕著である。
• ホライズン半径よりもはるかに小さいスケールでは、抑制がcₑ²(a)に依存しない。これは、ダークエネルギーの摂動が無視できるほど小さく、ダークエネルギーが均一であるかのように振る舞うためである。
• ホライズン半径よりもはるかに大きなスケールでは、抑制がcₑ²(a)に依存しない。これは、ダークエネルギーの摂動が完全に断熱的であり、エントロピー情報を持たないためである。
• 大スケールでは、ダークエネルギーの固有のエントロピー摂動（cₑ²が符号する）が消えるため、パワースペクトルがcₑ²(a)に敏感でないことが説明できる。