[论文解读] Exploring a new interaction between dark matter and dark energy using the growth rate of structure

Martín G. Richarte, Lixin Xu|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2015

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的暗物质与暗能量之间的现象学相互作用，通过标度因子幂律和哈勃参数调制进行参数化，允许能量从暗能量向暗物质转移。利用结合CMB、BAO、RSD、SNe和HST的数据分析，结果偏好较大的耦合常数（ξ_c ≈ 0.344）和负指数（β ≈ -0.509），与标准模型相比显著改变了物质功率谱和CMB声学峰。

ABSTRACT

We present a phenomenological interaction with a scale factor power law form which leads to the appearance of two kinds of perturbed terms, a scale factor spatial variation along with perturbed Hubble expansion rate. We study both the background and the perturbation evolution within the parametrized post-Friedmann scheme, obtaining that the exchange of energy-momentum can flow from dark energy to dark matter in order to keep dark energy and dark matter densities well defined at all times. We combine several measures of the cosmic microwave background (WMAP9+Planck) data, baryon acoustic oscillation measurements, redshift-space distortion data, JLA sample of supernovae, and Hubble constant for constraining the coupling constant and the exponent provided both parametrized the interaction itself. The joint analysis of ${ m Planck+WMAP9+BAO}$ ${ m +RSD+JLA+HST}$ data seems to favor large coupling constant, $ξ_c = 0.34403427_{- 0.18907353}^{+ 0.14430125}$ at 1 $σ$ level, and prefers a power law interaction with a negative exponent, thus $β= -0.50863232_{- 0.40923857}^{+ 0.48424166}$ at 1 $σ$ level. The CMB temperature power spectrum indicates that a large coupling constant produces a shift of the acoustic peaks and affects their amplitudes at lower multipoles. In addition, a larger $β$ exponent generates a shift of the acoustic peaks, pointing a clear deviation with respect to the concordance model. The matter power spectrum are sensitive to the variation of the coupling constant and the $β$ exponent. In this context, the interaction alters the scale of matter and radiation equality and pushes it away from the present era, which in turn generates a shift of the turnover point toward to smaller scale.

研究动机与目标

• 探索一种新的暗物质与暗能量相互作用机制，避免早期扰动中的不稳定性。
• 研究与标度因子相关的耦合常数结合哈勃参数变化时，对宇宙结构增长速率的影响。
• 利用包括Planck、WMAP9、BAO、RSD、JLA和HST在内的综合数据集，约束相互作用参数。
• 评估该相互作用对CMB温度功率谱和物质功率谱的影响，特别是对声学峰位置和拐点尺度的影响。

提出的方法

• 相互作用被建模为哈勃参数与标度因子幂律的乘积，包含耦合常数ξ_c和指数β。
• 采用参数化后弗里德曼（PPF）框架研究背景演化和线性扰动演化。
• 能量-动量交换被限制为仅从暗能量流向暗物质，确保所有时刻密度均为正值。
• 通过CosmoMC和CAMB对Planck2013+WMAP9+JLA+BAO+RSD+HST数据进行联合似然分析，获得观测约束。
• 通过函数f_m = d ln δ_m / d ln a分析物质扰动的增长率，该函数与fσ_8测量值相关联。
• 计算物质功率谱和CMB TT功率谱，并与观测结果比较，评估声学峰和拐点位置的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 标度因子幂律相互作用结合哈勃参数调制是否能在整个宇宙时空中保持稳定且明确的暗能量与暗物质密度？
• RQ2 同时包含标度因子和哈勃参数扰动时，如何影响物质结构的增长速率？
• RQ3 基于CMB、RSD、BAO、SNe和HST的综合数据，耦合常数ξ_c和指数β的观测约束是什么？
• RQ4 该相互作用如何改变CMB温度功率谱中声学峰的位置和振幅？
• RQ5 该相互作用如何改变物质-辐射相等尺度和物质功率谱中的拐点位置？

主要发现

• 联合分析Planck2013+WMAP9+JLA+BAO+RSD+HST数据表明，1σ水平下偏好较大的耦合常数ξ_c = 0.34403427_{-0.18907353}^{+0.14430125}，远大于以往估计的约10^{-3}量级。
• 数据偏好负指数β = -0.50863232_{-0.40923857}^{+0.48424166}（1σ水平），表明早期存在强烈的相互作用效应。
• 较大的耦合常数使CMB TT功率谱中的第一道声学峰发生偏移，并在低多重极处增加振幅，表明偏离标准模型。
• 由于相互作用导致暗物质密度增加，物质-辐射相等点被延迟，物质功率谱的拐点向更小尺度移动。
• 该相互作用改变了有效引力常数，并在物质扰动方程中引入类似阻尼的项，从而改变增长速率。
• 该模型在1σ水平下预测了类似鬼魅状态方程的物态，暗物质密度与Planck 2013年结果相差0.11%，当引入Planck EE+lowP数据时，差异扩大至两倍。