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Dark Energy Perturbations 李李李 李李李李李李李李 2011.10.13 李李李李李李李李李李李李李李李李 李李
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Dark Energy Perturbations 李明哲 南京大学物理学院 2011.10.13 中国科技大学交叉学科理论研究中心 合肥.

Dec 20, 2015

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Page 1: Dark Energy Perturbations 李明哲 南京大学物理学院 2011.10.13 中国科技大学交叉学科理论研究中心 合肥.

Dark Energy Perturbations

李明哲南京大学物理学院

2011.10.13 中国科技大学交叉学科理论研究中心 合肥

Page 2: Dark Energy Perturbations 李明哲 南京大学物理学院 2011.10.13 中国科技大学交叉学科理论研究中心 合肥.

Outline

• Importance of cosmological perturbations• Dark energy models• Dark energy perturbations• Dark energy coupling to CMB photons I• Dark energy coupling to CMB photons II• Conclusions

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Importance of cosmological perturbations

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Inflation quantum fluctuation

Primordial perturbation

dm...,,,,, enp

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1965

COBE

WMAP

CMB anisotropy

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Tests of perturbation theory

CMB Angular Power Spectrum

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Matter Power Spectrum

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Dark Energy (DE)

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3/1

0)3(/ 34

382

pw

paa

HG

G

Accelerating universe

Negative pressure

GTgRgR 82

1

)8

(82

1

gG

TGRgR

g

GT

8)(

pg

G

8

1w

1, Cosmological Constant (Einstein 1917)

No perturbation

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43 )102( eV

Cosmological constant problem

Observation

Zero point energy density

M

v

Mdk

mkk

02

4

2

222

164

12128 10~,10~ vpl eVMM

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2, Dynamical dark energy

I, quintessence Peccei, Sola, Wetterich, 1987 Wetterich, 1988 Peebles, Ratra, 1988 Zlatev, Wang, Steinhardt, 1998

)()(2/1 2 VL

)()(2/1 2 VL

1 ,2/1 ,12/1

2/1 22

2

wVV

Vw

II, phantom Caldwell, 1999

12/1

2/12

2

V

Vw

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2)1/2(X ),( XKL

III, k-essence Amendariz-Picon, Mukhanov, Steinhardt, 2000

XXppKp 2 ,

Quintessence, phantom are special cases of k-essence

W cannot cross -1

IV, quintom w crosses -1

),()(2/1)(2/1 212

12

1 VL Feng, Wang, Zhang, 2004

)()()(2/1 222

2 VM

cL ML, Feng, Zhang, 2005

22)(1)( VL Cai, ML, Lu, Piao, Qiu, Zhang, 2007

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W a crucial parameter to distinguish different models

Data fitting, model independent, parameterization

DE perturbation, only vanished when w=-1 (cosmological constant)Naively switch off DE perturbation is not consistent

Using observational data to search for DE models

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Without DE perturbation With DE perturbation

Weller, Lewies, 2003

Constant w and sound speed

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))(( 222 jiij dxdxdads

TGG 8

FRW background

Metric perturbation

Equations of perturbations

0 T

Conformal Newtonian Gauge

Dark Energy Perturbations

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All matter including DEcontribute to the metric perturbation

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: sound speed in the comoving frame

Adiabatic sound speed

Single fluid

Quintessence, phantom

0

K-essence )2/(/2XXXXXXs Xppppc

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Equations of dark energy perturbation

The problem of dark energy perturbations

Singular when w_e crosses -1No-Go Theorem J.Xia, Y.Cai, T.Qiu, G.Zhao, X.Zhang (2008) Quintom dark energy B.Feng, X.Wang, X.Zhang (2005)More degrees of freedom

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Parameterization, e.g.,

Multi fluids or multi fields need more equations

not applicable

Not convenient in data analysis

Method without new parameters Zhao, Xia, ML, Feng, Zhang, 2005

Quintessence like

Phantom like

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Fitting result with and without DE perturbation

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Matching conditionML, Cai, Li, Brandenberger, Zhang, 2010

Space-like surface :

The induced 3-metric on and its extrinsic curvature be continuous on both sides

go to the “tilde coordinate system”

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Gauge transformation

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Matching condition

3-metric

extrinsic curvature

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In arbitrary gauge

In conformal Newtonian gauge

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Gauge-invariant variables

Initial conditions: adiabatic & isocurvature

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Super-horizon scales

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Adiabatic perturbation

.constr

Isocurvature perturbationr

Mixture of adiabatic and isocurvature modes

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Adiabatic perturbation

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Pure dark matter isocurvature perturbationRuled out by experiments

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DE isocurvature perturbationLiu, ML, Zhang, 2010

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The action integral is gauge invariant.

Geometric Optics Approximation

Dark energy coupling to photons I: Chern-Simons and CPTviolation

M

cp

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Stokes parameters

I→ intensity Q&U→ linear polarization V→ circular polarization

ieUQiUQ 222

The polarization angle: Q

Uarctan

2

1

Spin 2

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BETXX ,,',

EBl

TBl

TEl

BBl

EEl

TTl CCCCCC ,,,,,Six spectra

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CPT violation induced the rotation of the polarization direction

Rotation angle characterizes the CPT-violating effect!

)( f

i

f

iif dxpdkp

)( fiM

c

II obs

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)ˆ()2exp()ˆ(

)ˆ())(ˆ(

11

11

11 22,2

2,2

nYinYda

niUQnYda

mllmml

ml

obslm

obslm

Background homogeneous

lmobs

lm aia ,2,2 )2exp(

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Without CPT violation, the correlations of TB and EB vanish

Consider the rotation angle as a free parameter

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0001.0CMBPol can detect

Simulation result:

Current Status

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deg0.40.6 WMAP3+BOOMERanG03

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Perturbation, spatial dependent rotation angle

ML, Zhang, 2008

)]([),(4

02

2

2

decldecl kjkPk

dk

M

cC

)( fiM

c

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)])(4cos()1([2

)12)(12(

0 2 2

)41)](2(cos)2(sin[

11112

21

21

2

21

222,

BBl

EEl

LBBl

EEll

ll

BBl

EEl

obsBBl

CCCCClllll

CCC

)]()1([

16

)12)(12(

0 2 2

)]1()1()1([

])12)(1(8

41[

~

11112

21

1

1

21

2

2122211

111

2

BBl

EEl

LBBl

EEll

ll

BBll

l

BBl

CCCCC

lllllllllll

CClllll

C

A new method to produce B-mode polarization

CPT violation

Weak gravitational lensing W.Hu 2000

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Dark energy coupling to photons II: varying fine structure constant

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Wang, ML, 2009

T

T

r: recombination

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Linear fluctuation, new long range force

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)]()1([

16

)12)(12(

0 2 2

)]1()1()1([

])12)(1(8

41[

~

11112

21

1

1

21

2

2122211

111

2

BBl

EEl

LBBl

EEll

ll

BBll

l

BBl

CCCCC

lllllllllll

CClllll

C

Weak gravitational lensing

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Conclusions

• Naively turn off dark energy perturbation is not consistent.

• We need new method to treat the dark energy perturbation in the whole parameter space.

• DE isocurvature perturbation is not strongly constrained by current data, but it is expected to be limited more tightly by CMB-LSS cross correlation.

• In models of dark energy interacting with photons, the perturbation of dark energy has interesting implications.

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Thanks!