[论文解读] Viscous dark fluid universe

Wiliam S. Hipólito-Ricaldi, Hermano Velten+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种黏性暗流体模型，将暗物质与暗能量统一为具有体黏性的单一组分，同时显式包含了无压强重子物质。与绝热Chaplygin气体模型不同，该黏性框架中的非绝热扰动避免了功率谱振荡，并成功重现了来自2dFGRS和SDSS DR7数据的观测重子物质功率谱，偏好当前负的减速参数 $ q_0 \approx -0.53 $，支持与大爆炸核合成一致的低重子物质分数。

ABSTRACT

We investigate the cosmological perturbation dynamics for a universe consisting of pressureless baryonic matter and a viscous fluid, the latter representing a unified model of the dark sector. In the homogeneous and isotropic background the extit{total} energy density of this mixture behaves as a generalized Chaplygin gas. The perturbations of this energy density are intrinsically non-adiabatic and source relative entropy perturbations. The resulting baryonic matter power spectrum is shown to be compatible with the 2dFGRS and SDSS (DR7) data. A joint statistical analysis, using also Hubble-function and supernovae Ia data, shows that, different from other studies, there exists a maximum in the probability distribution for a negative present value $q_0 \approx - 0.53$ of the deceleration parameter. Moreover, while previous descriptions on the basis of generalized Chaplygin gas models were incompatible with the matter power spectrum data since they required a much too large amount of pressureless matter, the unified model presented here favors a matter content that is of the order of the baryonic matter abundance suggested by big-bang nucleosynthesis.

研究动机与目标

• 开发一种统一的暗能量区模型，使暗物质与暗能量源自单一具有体黏性的流体组分。
• 解决绝热Chaplygin气体模型因功率谱中出现非物理解振荡而导致无法重现大尺度结构数据的问题。
• 在扰动动力学中显式包含无压强重子物质，以匹配观测到的重子物质功率谱。
• 通过将重子物质分数视为自由参数而非固定为WMAP值，检验该黏性统一模型的可行性。
• 利用物质功率谱、超新星和哈勃参数测量的联合数据，确定减速参数 $ q_0 $ 与重子含量的统计偏好。

提出的方法

• 将宇宙建模为两组分流体：具有体黏性的暗流体与无压强重子物质，总能量密度按广义Chaplygin气体演化，其中 $ \alpha = -\frac{1}{2} $。
• 推导总能量密度与相对熵扰动的扰动方程，考虑由黏性引起的非绝热动力学。
• 求解包含黏性应力张量与重子速度演化的重子与暗流体密度扰动的耦合微分方程。
• 以重子物质功率谱为主要可观测量，将理论预测与2dFGRS和SDSS DR7在多个波数下的数据进行比较。
• 使用物质功率谱、Ia型超新星数据与哈勃参数测量进行联合统计分析，以约束 $ q_0 $ 与 $ \Omega_{M0} $。
• 构建 $ q_0 $ 与 $ \Omega_{M0} $ 的一维概率分布，通过贝叶斯推断识别其峰值。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有显式重子物质的黏性暗流体模型能否在不产生非物理解振荡的情况下重现观测到的重子物质功率谱？
• RQ2 在黏性暗流体框架中包含重子物质是否能成为 $ \Lambda $CDM 模型的可行替代方案？
• RQ3 在此黏性统一模型中，当前减速参数 $ q_0 $ 的统计偏好为何？
• RQ4 数据所支持的重子物质分数 $ \Omega_{M0} $ 是否与大爆炸核合成预测一致？
• RQ5 与广义Chaplygin气体模型相比，该黏性模型在统计上与大尺度结构数据的兼容性如何？

主要发现

• 该黏性暗流体模型中的重子物质功率谱完全避免了非物理解振荡或不稳定性，与绝热Chaplygin气体模型形成鲜明对比。
• 该模型成功重现了2dFGRS与SDSS DR7在多个波数下的物质功率谱数据。
• 对物质功率谱、Ia型超新星与哈勃参数数据的联合统计分析显示，$ q_0 \approx -0.53 $ 处于后验概率分布的峰值，表明宇宙处于强烈加速状态。
• 重子物质分数 $ \Omega_{M0} $ 的概率分布峰值位于8%以下，支持与大爆炸核合成一致的低物质丰度。
• 与广义Chaplygin气体模型需几乎100%无压强物质才能拟合数据不同，该黏性模型偏好现实的重子分数，使其成为统一暗能量区描述的可行候选。
• 该模型通过避免对重子分数进行人为调整，解决了以往统一模型的张力，使最优值由数据本身决定。