[论文解读] Instability in interacting dark energy and dark matter fluids

J. Väliviita, Elisabetta Majerotto+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 55

一句话总结

本文研究了具有恒定状态方程参数 w 的相互作用暗能量模型，表明即使与暗物质的耦合较弱，也会在早期引起相对论性扰动中的非绝热不稳定性。该不稳定性导致超哈勃尺度上的曲率扰动发散，从而破坏了标准的绝热初始条件，并揭示了原本表现良好的模型中的一个关键缺陷。

ABSTRACT

If dark energy interacts with dark matter, this gives a new approach to the coincidence problem. But interacting dark energy models can suffer from pathologies. We consider the case where the dark energy is modelled as a fluid with constant equation of state parameter w. Non-interacting constant-w models are well behaved in the background and in the perturbed universe. But the combination of constant w and a simple interaction with dark matter leads to an instability in the dark sector perturbations at early times: the curvature perturbation blows up on super-Hubble scales. Our results underline how important it is to carefully analyze the relativistic perturbations when considering models of coupled dark energy. The instability that we find has been missed in some previous work where the perturbations were not consistently treated. The unstable mode dominates even if adiabatic initial conditions are used. The instability also arises regardless of how weak the coupling is. This non-adiabatic instability is different from previously discovered adiabatic instabilities on small scales in the strong-coupling regime.

研究动机与目标

• 研究具有恒定状态方程参数 w 的相互作用暗能量模型的稳定性。
• 分析当暗能量与暗物质耦合时，暗物质区的相对论性扰动行为。
• 识别并表征此类模型中可能出现的不稳定性，尤其是早期的不稳定性。
• 阐明为何先前的研究可能因对扰动处理不一致而未能发现这一不稳定性。

提出的方法

• 将暗能量建模为具有恒定状态方程参数 w 的流体。
• 在相对论性扰动框架中引入暗能量与暗物质之间的简单线性相互作用。
• 在超哈勃极限下求解暗物质区扰动的耦合方程。
• 分析相互作用存在时曲率扰动的增长行为。
• 将绝热初始条件下的结果与之比较，以评估不稳定模式的主导性。
• 使用相对论性扰动理论，识别暗物质区中不稳定性产生的根源。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有线性耦合至暗物质的恒定-w 暗能量模型在相对论性扰动下是否保持稳定？
• RQ2 在相互作用暗能量模型中，曲率扰动在超哈勃尺度上的行为如何？
• RQ3 为何先前的研究未能检测到这一不稳定性？哪些假设导致了其被忽略？
• RQ4 即使暗能量与暗物质之间的耦合极弱，该不稳定性是否依然存在？
• RQ5 这种非绝热不稳定性与以往已知的小尺度绝热不稳定性有何不同？

主要发现

• 在具有恒定 w 的相互作用暗能量模型中，曲率扰动在超哈勃尺度上无界增长。
• 即使暗能量与暗物质之间的耦合极弱，该不稳定性依然出现。
• 即使施加了绝热初始条件，不稳定模式仍主导演化过程。
• 该不稳定性为非绝热型，且与强耦合区域中已知的绝热不稳定性截然不同。
• 先前的工作因对暗物质区相对论性扰动处理不一致而遗漏了该不稳定性。