[论文解读] Is it possible to consider Dark Energy and Dark Matter as a same and unique Dark Fluid?

Alexandre Arbey|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出了一种统一的暗流体模型，其中暗物质与暗能量并非独立组分，而是同一类具有演化方程状态的流体的不同表现形式。利用来自Ia型超新星、宇宙微波背景、大尺度结构和原初核合成的观测约束，该研究表明，此类流体能够重现当前的宇宙学数据，表明一种具有尺度依赖行为的单一暗流体——在宇宙学尺度上表现为排斥性，而在局部表现为吸引性——可以解释暗物质与暗能量的效应。

ABSTRACT

In the standard model of cosmology, the present evolution of the Universe is determined by the presence of two components of unknown nature. One of them is referenced as ``dark matter'' to justify the fact that it behaves cosmologically like usual baryonic matter, whereas the other one is called ``dark energy'', which is a component with a negative pressure. As the nature of both dark components remains unknown, it is interesting to consider other models. In particular, it seems that the cosmological observations can also be understood for a Universe which does not contain two fluids of unknown nature, but only one fluid with other properties. To arrive to this conclusion, we will review the observational constraints from supernovae of type Ia, cosmic microwave background, large scale structures, and the theoretical results of big-bang nucleosynthesis. We will try to determine constraints on this unifying ``dark fluid'', and briefly review different possibilities to build models of dark fluid.

研究动机与目标

• 研究暗物质与暗能量是否可统一为具有时变方程状态的单一流体组分。
• 检验单一暗流体是否能重现当前由两个独立组分解释的关键宇宙学观测。
• 从超新星、CMB、大尺度结构和核合成数据中推导出此类统一暗流体特性的观测约束。
• 探讨暗流体在宇宙学尺度上表现出排斥性，而在局部尺度上由于非均匀性而呈现类似物质的吸引性行为的可能性。
• 提出可行的理论框架——特别是标量场模型——以实现具有双尺度行为的此类暗流体。

提出的方法

• 构建一个仅含单一暗流体组分的弗里德曼-勒梅特模型，该组分由总能量密度ρ和压强P参数化，同时包含辐射、重子物质和标准物质。
• 应用标准弗里德曼方程，其中暗流体的方程状态为P_D = ω_D ρ_D，允许ω_D随时间演化。
• 利用来自Ia型超新星（SNe Ia）、宇宙微波背景（CMB）各向异性和大尺度结构（LSS）聚类的观测数据，对模型进行约束。
• 通过线性微扰理论在谐和规范下分析引力势Φ，从能量-动量张量T_{μν} = (P+ρ)U^μU^ν - Pg^{μν} 推导出S_{μν}。
• 引入空间平均方法，以区分宇宙学尺度行为（ρ^cosmo, P^cosmo）与局部非均匀性（δρ, δP），从而在不同尺度上实现不同的有效方程状态。
• 推导出局域结构的牛顿势Φ ≈ -G ∫ δρ(r′)/|r−r′| d³r′，表明当δP ≈ 0且δρ > 0时，可出现类似物质的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有时变方程状态的单一暗流体能否重现观测到的宇宙加速膨胀与大尺度结构形成？
• RQ2 当前观测（SNe Ia、CMB、LSS、BBN）在多大程度上能区分两组分模型（暗物质+暗能量）与单一暗流体模型？
• RQ3 暗流体是否可能在宇宙学尺度上表现出排斥性（负压强），而在局部尺度上由于非均匀性而保持吸引性（类似物质）？
• RQ4 原初核合成观测到的重子密度对暗流体的行为与组分施加了何种约束？
• RQ5 何种理论模型——特别是标量场模型——能够实现一种在不同尺度上从类似物质行为过渡到暗能量行为的暗流体？

主要发现

• 统一暗流体模型能够与标准两组分模型一样，重现观测到的宇宙膨胀历史与大尺度结构聚类。
• 来自SNe Ia、CMB、LSS和BBN的观测约束并未排除单一暗流体的存在，表明该模型在观测上是可行的。
• 为匹配观测到的加速膨胀，暗流体在今日必须具有方程状态ω_D ≈ -1，与宇宙学常数或类 quintessence 行为一致。
• 在局部尺度上，若局部非均匀性δρ与δP占主导，暗流体可表现出类似物质的行为（ω_D ≈ 0），从而在星系环境中恢复牛顿引力。
• 该模型表明，暗流体的局部密度可远高于其宇宙学平均值（例如δρ ≫ ρ^cosmo），从而在星系中产生吸引性引力效应。
• 具有合适势能的标量场模型可能实现这种双重行为，其中场的动力学在大尺度上产生负压强，而在局部表现为冷暗物质行为。