[论文解读] Perturbations in dark energy models with evolving speed of sound

R. Ansari, Sanil Unnikrishnan|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文研究了k-essence暗能量模型中有效声速（cₑ²）的演化如何影响冷暗物质（CDM）功率谱，发现尽管演化方程状态（w）和cₑ²均会抑制CDM功率谱相对于ΛCDM，但w的影响要显著强得多。cₑ²演化的效应仅在中等尺度（k ~ 0.01h/Mpc）可被探测到，而在小尺度和大尺度上由于绝热或可忽略的暗能量扰动而影响微弱。

ABSTRACT

The behavior of perturbation in scalar field dark energy and its consequent effect on the cold dark matter (CDM) power spectrum is well understood to be governed by the equation of state (EOS) parameter and the effective speed of sound (ESS) of dark energy. In this paper, we investigate whether dark energy models whose ESS are epoch dependent leaves any distinct imprints on the large scale CDM power spectrum. In particular, we compare the cases where the ESS is decreasing with time with those where it increases. The CDM power spectrum is found to be generically suppressed in these cases as compared to the $Λ$CDM model. The degree of suppression at different length scales can, in principle, reflect the evolving nature of the ESS of dark energy. However, we find that the effect on the CDM power spectrum in cases where the ESS of dark energy is evolving with constant EOS parameter is significantly smaller as compared to the situation where ESS is constant whereas EOS parameter is evolving. Further, it is also shown that the effect of different evolution of ESS for a given evolution of EOS parameter of dark energy on the CDM power spectrum is significant only at the intermediate scales (around $k \sim 0.01h/Mpc$). At scales much smaller and larger than the Hubble radius, it is the evolution of EOS parameter of dark energy which governs the degree of suppression of CDM power spectrum with respect to the $Λ$CDM model.

研究动机与目标

• 研究标量场暗能量模型中，时变有效声速（cₑ²）对大尺度CDM功率谱的印记。
• 比较演化cₑ²与演化方程状态（w）对CDM功率谱抑制的相对影响。
• 确定CDM功率谱对不同cₑ²(a)函数形式在固定w(a)下的尺度依赖敏感性。
• 明确暗能量有效声速在何种宇宙学尺度上会在物质功率谱中留下可观测的特征。
• 评估cₑ²演化在区分ΛCDM以外的暗能量模型方面的观测相关性。

提出的方法

• 利用解析方法，从预设的w(a)和cₑ²(a)函数形式重构k-essence拉格朗日量F(X)和V(φ)。
• 求解具有时变w和cₑ²的标量场暗能量模型的背景与扰动方程耦合系统。
• 在不同w(a)和cₑ²(a)情景下，数值演化CDM扰动增长方程以计算物质功率谱。
• 在一系列波数k范围内，将所得CDM功率谱与ΛCDM基准进行比较。
• 通过在不同红移下分离绝热扰动与熵扰动的贡献，分析抑制的尺度依赖性。
• 通过对比恒定w与变化cₑ²(a)的模型，与恒定cₑ²而w演化的模型相比，识别出cₑ²(a)演化留下非可忽略印记的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量中有效声速（cₑ²）的演化如何影响大尺度CDM功率谱？
• RQ2 与ΛCDM相比，演化w与演化cₑ²在决定CDM功率谱抑制中的相对重要性如何？
• RQ3 在何种宇宙学尺度（以k表示）上，cₑ²(a)演化对CDM功率谱的影响最为显著？
• RQ4 为何在远小于哈勃半径的尺度上，CDM功率谱的抑制几乎与cₑ²(a)无关？
• RQ5 对于固定的w(a)，cₑ²(a)的不同函数形式是否能在CDM功率谱中产生可区分的特征？

主要发现

• 在标量场暗能量模型中，无论w或cₑ²是否演化，CDM功率谱均普遍低于ΛCDM模型。
• 由w(a)演化引起的抑制远强于cₑ²(a)演化的影响，使得w成为功率谱抑制的主导因素。
• cₑ²(a)演化对CDM功率谱的影响仅在中等尺度显著，具体为k ~ 0.01h/Mpc附近。
• 在远小于哈勃半径的尺度上，抑制与cₑ²(a)无关，因为暗能量扰动可忽略，系统表现得如同暗能量均匀分布。
• 在远大于哈勃半径的尺度上，抑制同样与cₑ²(a)无关，因为暗能量扰动为纯绝热扰动，不携带熵信息。
• 暗能量的本征熵扰动（编码cₑ²）在大尺度上趋于零，解释了功率谱对cₑ²(a)在此处的不敏感性。