[论文解读] Constraints on the decay of dark matter to dark energy from weak lensing bispectrum tomography

Bjoern Malte Schaefer, Gabriela Caldera-Cabral+1 more|ArXiv.org|Mar 14, 2008

Scientific Research and Discoveries参考文献 2被引用 9

一句话总结

本文通过DUNE巡天中的弱引力透镜三阶相关函数分层技术，研究了冷暗物质（CDM）衰变为暗能量的唯象学衰变过程。结果预测，未来的透镜观测可能将CDM衰变率Γ的下限约束在∼7.7/H₀ ≈ 75.3 Gyr/h，若w ≈ −1，则CDM衰变无法在宇宙年龄内解释观测到的暗能量密度。

ABSTRACT

We consider a phenomenological model for a coupling between the dark matter and dark energy fluids and investigate the sensitivity of a weak lensing measurement for constraining the size of this coupling term. Physically, the functional form of the coupling term in our model describes the decay of dark matter into dark energy. We present forecasts for tomographic measurements of the weak shear bispectrum for the DUNE experiment in a Fisher-matrix formalism, where we describe the nonlinearities in structure formation by hyper-extended perturbation theory. Physically, CDM decay tends to increase the growth rate of density perturbations due to higher values for the CDM density at early times, and amplifies the lensing signal because of stronger fluctuations in the gravitational potential. We focus on degeneracies between the dark energy equation of state properties and the CDM decay constant relevant for structure formation and weak lensing. A typical lower bound on the CDM decay time ~7.7/H_0 = 75.3 Gyr/h$ which could be provided by DUNE would imply that it would not possible to produce the dark energy content of the universe by CDM decay within the age of the Universe for a constant equation of state parameter of w close to -1.

研究动机与目标

• 研究是否可利用弱引力透镜测量约束冷暗物质（CDM）衰变为暗能量的过程。
• 通过检验CDM衰变生成暗能量的模型，解决宇宙学巧合问题。
• 利用DUNE的弱透镜巡天，预测CDM衰变率Γ、暗能量状态方程参数w₀、wₐ及其他宇宙学参数的约束。
• 量化结构形成与透镜观测中Γ与暗能量参数之间的退化关系。
• 证明尽管CDM衰变模型与标准暗能量模型具有相似的哈勃膨胀历史，弱透镜三阶相关函数分层技术仍可将其与标准模型区分开来。

提出的方法

• 采用唯象学耦合暗能量模型，其中CDM以恒定速率Γ衰变为暗能量，由一组能量守恒方程描述。
• 应用超扩展微扰理论，模拟CDM衰变情景下的非线性结构形成效应。
• 在红移分层的光变区间方案中计算弱透镜剪切三阶相关函数，以捕捉尺度与红移相关的团聚与透镜信号。
• 采用费舍尔矩阵方法预测DUNE的参数约束，结合CMB先验以提升灵敏度。
• 假设暗能量流体均匀，声速接近c，从而支持使用牛顿泊松方程描述引力势。
• 将CDM衰变模型中的透镜信号与标准ΛCDM模型进行比较，重点关注早期CDM密度增强导致引力势与透镜功率增强的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 弱透镜三阶相关函数分层技术能否探测或约束冷暗物质衰变为暗能量？
• RQ2 与标准ΛCDM相比，CDM衰变如何影响密度扰动的增长及相应的透镜信号？
• RQ3 CDM衰变率Γ与暗能量状态方程参数w₀和wₐ之间存在何种退化关系？
• RQ4 尽管Hubble膨胀历史相同，弱透镜巡天（如DUNE）能否将CDM衰变模型与CDM稳定的暗能量模型区分开来？
• RQ5 与超新星观测或其他探针相比，透镜观测对Γ的约束结果如何？

主要发现

• DUNE弱透镜巡天可将CDM衰变率约束在下限∼7.7/H₀ ≈ 75.3 Gyr/h，意味着CDM寿命超过75.3 Gyr/h。
• 该约束表明，若w ≈ −1，则CDM衰变无法在宇宙年龄内产生观测到的暗能量密度。
• CDM衰变率Γ与暗能量状态方程参数w₀和wₐ存在退化，但凭借足够的统计精度，弱透镜三阶相关函数分层技术可打破这种退化。
• 当引入CMB先验时，弱透镜三阶相关函数分层技术对w₀和wₐ的相对精度可达∼10%，对Ωₘ和σ₈的精度可达∼1%。
• 由于早期CDM密度更高，CDM衰变模型中引力势更强，导致透镜信号被放大。
• 尽管ΛCDM与CDM衰变模型在z=0.1处的超新星光度距离差异极小（0.01%），但增长函数与透镜观测表现出更强且可区分的特征。