[論文レビュー] Testing the EoS of dark matter with cosmological observations

Arturo Avelino, Norman Cruz+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、SNe Ia、CMB、BAO、およびハッブルパラメータの最新の宇宙論的観測を用いて、暗黒物質の状態方程式（EoS）パラメータ $w_{\rm dm}$ を検証している。$w_{\rm dm} \approx 0.005 \pm 0.001$ という強い証拠が得られ、これは温かい暗黒物質を示唆している。同時に、宇宙定数よりも歪んだ（phantom）暗黒エネルギー成分（$w_{\rm de} \approx -1.11$）を支持している。

ABSTRACT

We explore the cosmological constraints on the parameter w_dm of the dark matter barotropic equation of state (EoS) to investigate the "warmness" of the dark matter fluid. The model is composed by the dark matter and dark energy fluids in addition to the radiation and baryon components. We constrain the values of w_dm using the latest cosmological observations that measure the expansion history of the Universe. When w_dm is estimated together with the parameter w_de of the barotropic EoS of dark energy we found that the cosmological data favor a value of w_dm = 0.006 +- 0.001, suggesting a -warm- dark matter, and w_de= -1.11 +- 0.03$ that corresponds to a phantom dark energy, instead of favoring a cold dark matter and a cosmological constant (w_dm = 0, w_de = -1). When w_dm is estimated alone but assuming w_de = -1, -1.1, -0.9, we found w_dm = 0.009 +- 0.002, 0.006 +- 0.002, 0.012 +- 0.002 respectively, where the errors are at 3 sigma (99.73%), i.e., w_dm > 0 with at least 99.73% of confidence level. When (w_dm, Ω_dm0) are constrained together, the best fit to data corresponds to (w_dm=0.005 +- 0.001, Ω_dm0 = 0.223 +- 0.008) and with the assumption of w_de = -1.1 instead of a cosmological constant (i.e., w_de = -1). With these results we found evidence of w_dm > 0 suggesting a -warm- dark matter, independent of the assumed value for w_{ m de}, but where values w_de < -1 are preferred by the observations instead of the cosmological constant. These constraints on w_dm are consistent with perturbative analyses done in previous works.

研究の動機と目的

• 現在の宇宙論的観測を用いて、暗黒物質の等温状態方程式パラメータ $w_{\rm dm}$ を制約すること。
• 暗黒物質が冷たいものではなく温かいものとしてより適切に記述されるかどうかを、$w_{\rm dm} > 0$ の検証によって評価すること。
• 暗黒物質の $w_{\rm dm}$ と暗黒エネルギーの状態方程式パラメータ $w_{\rm de}$ の相乗的相互作用を、$\Lambda$CDM モデルと比較して調査すること。
• 得られた $w_{\rm dm}$ が摂動論的解析および宇宙の年齢制約と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• 分析は、暗黒物質、暗黒エネルギー、放射、バリオンを含む宇宙論的モデルを用い、暗黒物質に等温状態方程式を適用している。
• 観測データセットには、SNe Ia（Union 2.1）、CMB（WMAP-7y）による $\mathcal{R}$、$l_A$、$z_*$、$z=0.275$ におけるBAO距離比、およびさまざまな赤方偏移でのハッブルパラメータ測定値が含まれる。
• パラメータ $w_{\rm dm}$ と $w_{\rm de}$ は、$\chi^2$ 最小化を用いた連続尤度解析によって制約されている。
• 複数の仮定に基づく分析が実施された：$w_{\rm de}$ を $-1$、$-1.1$、$-0.9$ に固定し、$\Omega_{\rm dm0}$ を $w_{\rm dm}$ と共に変動させた。
• 99.73% の信頼水準（3$\sigma$）での信頼区間を計算し、$w_{\rm dm} > 0$ の有意性を評価した。
• 最良適合パラメータでの宇宙の年齢を計算し、独立した推定値と整合するかをテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的データは、標準的な $w_{\rm dm} = 0$ の冷たい暗黒物質モデルよりも、非ゼロの $w_{\rm dm}$（すなわち温かい暗黒物質）を支持するか？
• RQ2 仮定された暗黒エネルギーの状態方程式パラメータ $w_{\rm de}$ の値に応じて、推定された $w_{\rm dm}$ の値はどのように変化するか？
• RQ3 $w_{\rm de} \neq -1$ の場合に、最良適合モデルは観測された宇宙の年齢と整合するか？
• RQ4 $\Omega_{\rm dm0}$ を自由パラメータとして含めると、$w_{\rm dm}$ の制約はどのように変化するか？また、これは宇宙定数でない暗黒エネルギーを支持するか？

主な発見

• SNe Ia、CMB、BAO、$H(z)$ データの連続解析により、$w_{\rm de}$ も自由パラメータとして扱った場合、$w_{\rm dm} = 0.006 \pm 0.001$ が得られ、これは温かい暗黒物質を示唆している。
• データは、$w_{\rm de} = -1.11 \pm 0.03$ の歪んだ（phantom）暗黒エネルギー成分を支持しており、宇宙定数（$w_{\rm de} = -1$）が最良適合ではないと結論づけている。
• $w_{\rm de}$ を $-1$、$-1.1$、$-0.9$ に固定した場合、推定された $w_{\rm dm}$ 値はそれぞれ $0.009 \pm 0.002$、$0.006 \pm 0.002$、$0.012 \pm 0.002$ であり、いずれも99.73%の信頼水準で $w_{\rm dm} > 0$ である。
• 最良適合モデル（$w_{\rm de} = -1.1$）では、$w_{\rm dm} = 0.005 \pm 0.001$ および $\Omega_{\rm dm0} = 0.223 \pm 0.008$ が得られ、データセット間の整合性が確認された。
• 最良適合パラメータでの宇宙の年齢は観測と整合しているが、$w_{\rm de} = -0.9$ の場合を除き、その場合にのみ矛盾が生じた。
• $w_{\rm dm}$ の制約は、以前の摂動論的解析と一致しており、同様の狭い範囲内に $w_{\rm dm}$ の値が存在することが確認された。