[论文解读] Large scale structure formation in mixed dark matter models with a cosmological constant

R. Valdarnini, Tina Kahniashvili+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了具有宇宙学常数（Λ）和由冷组分与热组分（主要为大质量中微子）组成的混合暗物质（MDM）的平坦宇宙学模型中的大尺度结构形成。利用线性化爱因斯坦-玻尔兹曼方程和COBE归一化的功率谱，发现当Ω_H/Ω_M ≤ 0.2且Ω_M ≈ 0.45–0.75（h=0.5时）时，模型与线性大尺度数据及星系团丰度最为一致，标准MDM模型在95%置信水平下被排除。

ABSTRACT

We study linear power spectra and formation of large scale structures in flat cosmological models with $Λ\ge 0$ and cold plus hot dark matter components (MLM). The hot component consists of massive neutrinos with cosmological density $Ω_H$. The linearized Einstein-Boltzmann equations for the evolution of the metric and density perturbations are integrated for a set of values of the cosmological parameters. For all the considered models we assume a scale-invariant primeval spectrum. The density weighted final linear power spectra are normalized to the four year COBE data and have been used to constrain the parameter space by a comparison of linear predictions with the current observational data on large scales. The consistency of MLM predictions with the observable data set is best obtained for models with one specie of massive neutrinos and $Ω_H/Ω_M \le0.2$. For this class of MLM models we obtain constraints from linear data on the present matter density. Consistency with the estimated cluster abundance can be achieved for COBE normalized MLM models with $Ω_H/Ω_M\le0.2$ and $ 0.45 \le Ω_M \le 0.75$ for $h=0.5$. If $h=0.7$ then $ 0.3 \le Ω_M \le 0.5$. These constraints are at $1σ$ level and standard MDM models are clearly ruled out. We note that the range of allowed values for $Ω_M$, that we obtain for MLM models from linear analysis, is also approximately the same range that is needed in order to consistently satisfy a variety of independent observational constraints.

研究动机与目标

• 评估包含宇宙学常数（Λ）和大质量中微子的混合暗物质（MDM）模型与大尺度结构观测的一致性。
• 利用归一化至COBE四年数据的线性功率谱，对ΛMDM模型的参数空间进行约束。
• 评估这些模型是否能同时满足线性大尺度结构和观测到的星系团丰度的约束条件。
• 在95%置信水平下，确定Ω_M和Ω_H/Ω_M的允许范围，并与当前观测数据进行比较。

提出的方法

• 求解平坦ΛMDM模型中具有标度不变原初谱的度规和密度扰动的线性化爱因斯坦-玻尔兹曼方程。
• 计算一系列宇宙学参数（包括Ω_M、Ω_H/Ω_M和哈勃参数h）下的密度加权线性功率谱。
• 将最终的功率谱归一化至COBE四年数据，以匹配观测到的宇宙微波背景各向异性。
• 将线性预测结果与大尺度结构数据（如星系聚类）进行比较，以约束模型参数。
• 通过与观测到的星系团丰度的一致性评估，进一步限制可行的参数空间。
• 采用95%置信水平分析，推导出Ω_M和热暗物质分数Ω_H/Ω_M的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ΛMDM模型中，Ω_M和Ω_H/Ω_M的什么范围能产生与COBE归一化数据一致的线性功率谱？
• RQ2 包含大质量中微子的ΛMDM模型能否同时与线性大尺度结构观测和观测到的星系团丰度相匹配？
• RQ3 线性数据对Ω_M的约束与独立观测约束所要求的值相比如何？
• RQ4 在ΛMDM和观测数据的新约束下，标准MDM模型的可接受性如何？
• RQ5 哈勃参数h的变化对ΛMDM模型允许参数空间有何影响？

主要发现

• 包含一种大质量中微子且Ω_H/Ω_M ≤ 0.2的模型与当前大尺度结构数据具有最佳一致性。
• 当h = 0.5时，Ω_M在95%置信水平下的允许范围为0.45 ≤ Ω_M ≤ 0.75，与星系团丰度约束一致。
• 当h = 0.7时，Ω_M在95%置信水平下的允许范围缩小为0.3 ≤ Ω_M ≤ 0.5。
• 标准MDM模型被线性数据和星系团丰度的联合约束明确排除。
• 线性分析得出的Ω_M允许值范围与其它独立观测探针的约束高度一致。
• 结果表明，当前大尺度结构数据强烈偏好热暗物质分数较低的ΛMDM模型。