[论文解读] Testing the EoS of dark matter with cosmological observations

Arturo Avelino, Norman Cruz+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2012

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用 5

一句话总结

本研究利用最新的宇宙学观测数据（包括Ia型超新星、宇宙微波背景辐射、重子声学振荡和哈勃参数数据），检验了暗物质的状态方程参数 $w_{\rm dm}$。结果发现 $w_{\rm dm} \approx 0.005 \pm 0.001$ 的强证据，表明暗物质为温暗物质，同时支持非宇宙学常数的幽灵型暗能量组分（$w_{\rm de} \approx -1.11$）而非宇宙常数。

ABSTRACT

We explore the cosmological constraints on the parameter w_dm of the dark matter barotropic equation of state (EoS) to investigate the "warmness" of the dark matter fluid. The model is composed by the dark matter and dark energy fluids in addition to the radiation and baryon components. We constrain the values of w_dm using the latest cosmological observations that measure the expansion history of the Universe. When w_dm is estimated together with the parameter w_de of the barotropic EoS of dark energy we found that the cosmological data favor a value of w_dm = 0.006 +- 0.001, suggesting a -warm- dark matter, and w_de= -1.11 +- 0.03$ that corresponds to a phantom dark energy, instead of favoring a cold dark matter and a cosmological constant (w_dm = 0, w_de = -1). When w_dm is estimated alone but assuming w_de = -1, -1.1, -0.9, we found w_dm = 0.009 +- 0.002, 0.006 +- 0.002, 0.012 +- 0.002 respectively, where the errors are at 3 sigma (99.73%), i.e., w_dm > 0 with at least 99.73% of confidence level. When (w_dm, Ω_dm0) are constrained together, the best fit to data corresponds to (w_dm=0.005 +- 0.001, Ω_dm0 = 0.223 +- 0.008) and with the assumption of w_de = -1.1 instead of a cosmological constant (i.e., w_de = -1). With these results we found evidence of w_dm > 0 suggesting a -warm- dark matter, independent of the assumed value for w_{ m de}, but where values w_de < -1 are preferred by the observations instead of the cosmological constant. These constraints on w_dm are consistent with perturbative analyses done in previous works.

研究动机与目标

• 利用当前的宇宙学观测数据，约束暗物质的广义状态方程参数 $w_{\rm dm}$。
• 通过检验 $w_{\rm dm} > 0$，评估暗物质是否更适于被描述为温暗物质而非冷暗物质。
• 研究 $w_{\rm dm}$ 与暗能量状态方程参数 $w_{\rm de}$ 之间的相互作用，尤其与 $\Lambda$CDM 模型进行比较。
• 评估推断出的 $w_{\rm dm}$ 与微扰分析及宇宙年龄约束的一致性。

提出的方法

• 分析采用包含暗物质、暗能量、辐射和重子物质的宇宙学模型，并对暗物质采用广义状态方程。
• 观测数据集包括Ia型超新星（Union 2.1）、宇宙微波背景辐射（WMAP-7y）的 $\mathcal{R}$、$l_A$、$z_*$，红移 $z=0.275$ 处的重子声学振荡距离比，以及多个红移下的哈勃参数测量值。
• 通过 $\chi^2$ 最小化方法，联合分析约束参数 $w_{\rm dm}$ 和 $w_{\rm de}$。
• 在多种假设下进行分析：$w_{\rm de}$ 固定为 $-1$、$-1.1$ 和 $-0.9$，同时允许 $\Omega_{\rm dm0}$ 与 $w_{\rm dm}$ 一同变化。
• 在 3$\sigma$ 水平（置信度 99.73%）下计算置信区间，以评估 $w_{\rm dm} > 0$ 的显著性。
• 在最佳拟合参数下计算宇宙年龄，以检验其与独立估计值的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙学数据是否更支持非零的 $w_{\rm dm}$，即温暗物质，而非标准的 $w_{\rm dm} = 0$ 冷暗物质模型？
• RQ2 推断出的 $w_{\rm dm}$ 值如何依赖于所假设的暗能量状态方程参数 $w_{\rm de}$？
• RQ3 当 $w_{\rm de} \neq -1$ 时，最佳拟合模型是否与观测到的宇宙年龄一致？
• RQ4 将 $\Omega_{\rm dm0}$ 作为自由参数是否改变对 $w_{\rm dm}$ 的约束？是否更支持非宇宙常数的暗能量？

主要发现

• 在 $w_{\rm de}$ 同时自由的情况下，联合分析 Ia 型超新星、宇宙微波背景辐射、重子声学振荡和 $H(z)$ 数据，得到 $w_{\rm dm} = 0.006 \pm 0.001$，表明存在温暗物质。
• 数据支持幽灵型暗能量组分，其参数为 $w_{\rm de} = -1.11 \pm 0.03$，拒绝宇宙常数（$w_{\rm de} = -1$）为最佳拟合。
• 当 $w_{\rm de}$ 固定为 $-1$、$-1.1$ 或 $-0.9$ 时，推断出的 $w_{\rm dm}$ 值分别为 $0.009 \pm 0.002$、$0.006 \pm 0.002$ 和 $0.012 \pm 0.002$，在 99.73% 置信水平下均满足 $w_{\rm dm} > 0$。
• 在 $w_{\rm de} = -1.1$ 的最佳拟合模型中，$w_{\rm dm} = 0.005 \pm 0.001$ 且 $\Omega_{\rm dm0} = 0.223 \pm 0.008$，表明各数据集之间具有良好的一致性。
• 在最佳拟合参数下计算的宇宙年龄与观测结果一致，但当 $w_{\rm de} = -0.9$ 时出现不一致，表明该情况下存在张力。
• 对 $w_{\rm dm}$ 的约束与先前的微扰分析结果一致，后者也发现 $w_{\rm dm}$ 值落在相同狭窄范围内。