[论文解读] Confronting the sound speed of dark energy with future cluster surveys

Tobias Basse, Ole Eggers Bjælde+2 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 29被引用 12

一句话总结

本文研究了未来星系团巡天（特别是欧几勒得任务）如何通过分析晕质量函数中的尺度依赖性集聚，约束暗能量参数——特别是状态方程参数 $w$ 和非绝热声速 $c_s^2$。利用球对称坍缩模型与费舍尔矩阵预测，结果表明，欧几勒得与普朗克数据结合可将 $w$ 的测量精度提升至亚百分之一水平，$c_s^2$ 的约束精度达到一个数量级，且由于非绝热效应导致的引力势能贡献，暗能量对星系团总质量的贡献最高可达 0.1%。

ABSTRACT

Future cluster surveys will observe galaxy clusters numbering in the hundred thousands. We consider this work how these surveys can be used to constrain dark energy parameters: in particular, the equation of state parameter w and the non-adiabatic sound speed c_s^2. We demonstrate that, in combination with Cosmic Microwave Background (CMB) observations from Planck, cluster surveys such as that in the ESA Euclid project will be able to determine a time-independent w with subpercent precision. Likewise, if the dark energy sound horizon falls within the length scales probed by the cluster survey, then c_s^2 can be pinned down to within an order of magnitude. In the course of this work, we also investigate the process of dark energy virialisation in the presence of an arbitrary sound speed. We find that dark energy clustering and virialisation can lead to dark energy contributing to the total cluster mass at approximately the 0.1% level at maximum.

研究动机与目标

• 评估未来星系团巡天（如欧几勒得）对暗能量参数 $w$ 和 $c_s^2$ 的敏感度。
• 在任意 $c_s^2$ 条件下，基于球对称坍缩框架，建立暗能量在引力坍缩过程中动力响应的自洽模型。
• 量化集聚暗能量对总星系团质量的贡献及其对晕质量函数的影响。
• 基于现实巡天参数设定，利用费舍尔矩阵方法进行参数约束预测。
• 评估欧几勒得星系团巡天与普朗克宇宙微波背景观测在打破参数简并性方面的协同效应。

提出的方法

• 采用普雷斯-谢克特形式化方法计算晕质量函数，输入为通过 CLASS 玻尔兹曼求解器生成的各类 $w$ 和 $c_s^2$ 值下的线性物质功率谱。
• 提出一种改进的球对称坍缩模型，以追踪任意 $c_s^2$ 条件下具有集聚暗能量时的引力势能演化，考虑暗能量对引力坍缩的动力学响应。
• 采用先前为 $c_s^2 \neq 0,1$ 情况建立的方法，估算坍缩的线性阈值密度，从而实现质量依赖的坍缩判据。
• 基于欧几勒得任务的巡天参数设定，执行费舍尔矩阵预测，假设通过弱引力透镜观测可探测约 50 万个星系团。
• 通过结合欧几勒得星系团数据与普朗克宇宙微波背景观测，分析参数简并性的破缺，尤其针对 CMB 单独约束能力较弱的 $c_s^2$ 参数。
• 以普朗克 2013 年参数作为基准宇宙学模型，计算在与其他宇宙学参数联合边际化与不边际化条件下的参数敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来星系团巡天（如欧几勒得）能否通过尺度依赖的生长效应，在晕质量函数中探测到暗能量集聚的痕迹？
• RQ2 在引力势能达到平衡的时刻，集聚暗能量对星系团总质量的最大分数贡献是多少？
• RQ3 结合欧几勒得星系团数据与普朗克 CMB 观测，时间独立的状态方程参数 $w$ 能被多精确地约束？
• RQ4 暗能量声速 $c_s^2$ 对星系团丰度的影响程度如何？能否实现一个数量级以内的约束？
• RQ5 参数简并性（$w$、$c_s^2$ 与其他宇宙学参数之间）如何影响星系团巡天的敏感度？

主要发现

• 集聚暗能量对总引力势能平衡星系团质量的最大贡献约为 0.1%，出现在引力势能平衡的时刻。
• 当暗能量声速处于 $c_s^2 = 10^{-6}$ 至 $10^{-4}$ 范围时，大质量星系团（$\sim 10^{16} M_\odot$）的数量相比无集聚情形最多可变化 15%。
• 在基准宇宙学模型下，结合普朗克 CMB 数据后，欧几勒得可将时间独立的状态方程参数 $w$ 约束至亚百分之一精度（$\sim 0.1\%$）。
• 欧几勒得与普朗克联合观测可使 $\log c_s^2$ 的敏感度提升两倍，从而实现对 $c_s^2$ 的一个数量级以内约束。
• 对其他参数进行边际化处理会降低敏感度，但联合普朗克+欧几勒得分析仍可使 $n_s$ 的约束改善两倍，$\Omega_b h^2$ 的约束改善约 30%。
• 由于 $c_s^2 \neq 1$ 引起的尺度依赖性集聚，会在晕质量函数中产生可探测的特征依赖关系，未来星系团巡天可识别该效应。