[论文解读] Domain Wall Dominated Universes

Richard A. Battye, Martin Bucher+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 25

一句话总结

本文提出了一种以畴壁为主导的宇宙模型，其中存在具有 $w = -2/3$ 的固态暗物质成分，可在无需宇宙学常数的情况下解释宇宙加速膨胀。该模型在小尺度上保持非聚集状态，与CMB和大尺度结构观测数据相容，并可通过CMB各向异性和引力透镜效应与标量场暗能量模型相区别。

ABSTRACT

We consider a cosmogony with a dark matter component consisting of a network of frustrated domain walls. Such a network provides a solid dark matter component with $p=-(2/3)ρ$ that remains unclustered on small scales and with $Ω_{ m dw}\approx 0.7$ can reconcile a spatially flat universe with the many observations indicating $Ω_{ m m}\approx 0.3.$ Because of its large negative pressure, this component can explain the recent observations indicating an accelerating universe without recourse to a non-vanishing cosmological constant. We explore the viability of this proposal and prospects for distinguishing it from other kinds of proposed dark matter with significant negative pressure.

研究动机与目标

• 探讨以畴壁为主导的宇宙模型作为宇宙学常数的替代方案，在解释宇宙加速膨胀方面的可行性。
• 评估具有负压的固态暗物质成分是否能够使平坦宇宙与观测到的物质密度 ($\Omega_{\rm m} \approx 0.3$) 相协调。
• 研究固态暗物质非零剪切模量对宇宙微扰和CMB各向异性的影响，与标量场或 $\Lambda$ 模型进行比较。
• 确定未来CMB和大尺度结构观测在多大程度上可将固态暗物质与其他暗能量候选者区分开来。
• 评估该模型与X射线星系团观测给出的COBE归一化 $\sigma_8$ 约束的一致性。

提出的方法

• 推导具有非零剪切模量和 $w = -2/3$ 的固态暗物质成分存在下的宇宙微扰理论形式化。
• 使用CMBFAST计算不同声速和 $\Omega_{\rm m}$ 下畴壁主导模型的CMB各向异性功率谱。
• 利用相对似然函数 $\langle \ln(P_A/P_B) \rangle = -\frac{1}{2} \sum_\ell (2\ell+1) \left[1 - \frac{C_\ell^{(A)}}{C_\ell^{(B)}} + \ln\left(\frac{C_\ell^{(A)}}{C_\ell^{(B)}}\right) \right]$ 比较模型的似然性。
• 在 $\Omega_{\rm m}-h$ 平面中评估 $w = -2/3$ 和 $n = 1.0, 1.1$ 情况下的 $\sigma_8$，并以COBE数据进行归一化。
• 引入张量贡献到CMB各向异性中，以放宽对 $\sigma_8$ 的上限约束。
• 分析引力透镜效应以及与大尺度结构的交叉相关性，作为潜在的区分探测手段。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 $w = -2/3$ 的畴壁主导宇宙是否可以在不引入宇宙学常数的情况下解释观测到的宇宙加速膨胀？
• RQ2 固态暗物质的非零剪切模量如何影响宇宙微扰的增长和CMB各向异性的特征，与标量场或 $\Lambda$ 模型相比有何不同？
• RQ3 未来CMB和大尺度结构观测在多大程度上可将固态暗物质与其他暗能量候选者区分开来？
• RQ4 该畴壁主导模型是否与X射线星系团观测给出的COBE归一化 $\sigma_8$ 约束相容？
• RQ5 固态暗物质中扰动的声速在区分具有相似 $w$ 值的其他模型中起什么作用？

主要发现

• 具有 $w = -2/3$ 且 $\Omega_{\rm dw} \approx 0.7$ 的畴壁主导宇宙模型，可在不引入宇宙学常数的情况下，使空间平坦的宇宙与观测到的 $\Omega_{\rm m} \approx 0.3$ 相协调，并解释宇宙加速膨胀。
• 由于声速决定了较大的简正波长，该模型在小尺度上保持非聚集状态，因此在星系尺度探测中难以被发现。
• 对于 $w = -2/3$ 的情况，仅靠CMB各向异性功率谱几乎无法将固态暗物质与标量场模型区分开来，因为其 $C_\ell$ 行为非常相似。
• 对于 $w = -1/3$ 的情况，声速和各向异性应力的差异可清晰区分固态暗物质与标量场模型。
• 所有 $w = -2/3$ 的模型与具有相同 $\Omega_{\rm m}$ 的 $\Lambda$ 模型均可区分，尤其当 $\Omega_{\rm m}$ 减小时更为明显。
• 该模型与X射线星系团观测给出的 $\sigma_8$ 约束相容，在 $\Omega_{\rm m}-h$ 平面中对于 $n = 1.0$ 和 $n = 1.1$ 存在可行区域，尤其当 $h$ 增大或包含张量贡献时更为显著。