[论文解读] Is the Interacting Dark Matter Scenario an Alternative to Dark Energy

Spyros Basilakos, M. Plionis|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文研究了相互作用暗物质（IDM）情景是否能在不引入暗能量的情况下解释宇宙加速膨胀。通过使用碰撞性玻尔兹曼方程建模暗物质，作者表明，当粒子产生过程占主导地位（即非平衡态）时，会产生一种有效的负压源，从而实现与 quintessence 或 ΛCDM 模型相当的加速膨胀，且观测数据支持一个较小的有效湮灭项。

ABSTRACT

We study the global dynamics of the universe within the framework of the Interacting Dark Matter (IDM) scenario. Assuming that the dark matter obeys the collisional Boltzmann equation, we can derive analytical solutions of the global density evolution, which can accommodate an accelerated expansion, equivalent to either the {\em quintessence} or the standard $\Lambda$ models, with the present time located after the inflection point. This is possible if there is a disequilibrium between the DM particle creation and annihilation processes with the former process dominating, which creates an effective source term with negative pressure. Comparing the predicted Hubble expansion of one of the IDM models (the simplest) with observational data we find that the effective annihilation term is quite small, as suggested by a variety of other recent experiments.

研究动机与目标

• 探讨相互作用暗物质（IDM）是否能在不引入暗能量的情况下解释宇宙观测到的加速膨胀。
• 确定暗物质产生与湮灭过程之间的非平衡态是否能产生有效的负压源。
• 将简单 IDM 模型预测的哈勃膨胀与观测数据进行比较，以评估其可行性。
• 利用当前宇宙学观测约束 IDM 框架中的有效湮灭项。

提出的方法

• 使用碰撞性玻尔兹曼方程建模暗物质动力学，以描述粒子产生与湮灭过程。
• 在 IDM 框架下推导全局暗物质密度演化的解析解。
• 引入由产生与湮灭速率不平衡产生的有效源项，该源项贡献负压。
• 使用最简 IDM 模型计算作为红移函数的预测哈勃膨胀率。
• 将模型预测与观测哈勃数据进行比较，以约束有效湮灭项。
• 评估 IDM 情景与当前宇宙学观测的一致性，特别是关于湮灭项大小的问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 相互作用暗物质情景是否能在不引入暗能量的情况下重现宇宙观测到的加速膨胀？
• RQ2 暗物质产生与湮灭之间的非平衡态在产生有效负压中起什么作用？
• RQ3 IDM 模型预测的哈勃膨胀与观测数据相比如何？
• RQ4 IDM 框架中有效湮灭项的大小是多少？其与实验约束相比如何？
• RQ5 IDM 情景是否可作为 ΛCDM 模型或 quintessence 模型的可行现象学替代方案？

主要发现

• IDM 情景可通过产生过程占主导的非平衡态，实现与 quintessence 和 ΛCDM 模型相当的加速膨胀。
• 该不平衡产生的有效源项表现为负压，驱动宇宙加速。
• 最简 IDM 模型预测的哈勃膨胀与当前观测数据一致。
• IDM 模型中的有效湮灭项非常小，与其它近期实验的约束一致。
• 该模型支持将暗能量替换为动态暗物质相互作用的可能性，前提是湮灭过程保持次主导。