[論文レビュー] Constraints on interacting dark energy revisited: implications for the Hubble tension

Gabriel A. Hoerning, Ricardo G. Landim+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、Hubble rateゆらぎを含む摂動方程式を修正した現象論的相互作用暗黒エネルギーモデルを再検討し、Planck 2018、Pantheon+ SNIa、BAO、RSDデータおよびSH0ESと比較検討し、ΛCDMに対して強い優越性を見いだせないと結論づける。いくつかのモデルはハッブル緊張を部分的に緩和するが、すべてのデータを組み合わせると依然として適合しない。

ABSTRACT

We revisit a class of coupled dark energy models where dark energy interacts with dark matter via phenomenological energy exchange terms. We include the perturbation of the Hubble rate in the interaction term, which was absent in previous works. We also consider more recent data sets such as cosmic microwave background (CMB) anisotropies from ext{Planck} 2018, type I-a supernovae (SNIa) measurements from Pantheon+ and data from baryon acoustic oscillations (BAO), and redshift space distortions (RSD). One of the models presents a strong incompatibility when different cosmological datasets are used. We analyze the influence of the SH0ES Cepheid host distances on the results and, although for one model the discrepancy of $H_0$ is reduced to $3.2σ$ when compared to the value obtained by the extit{Planck} collaboration and $3.6σ$ when compared to the SH0ES team, joint analysis is incompatible. Including BAO with RSD shows incompatibility with SH0ES for all models considered here. We perform a model comparison and although there is a preference for interacting dark energy over $Λ$CDM for all the models for joint analysis CMB+BAO+RSD+SNIa, most of the 2D contours do not overlap. We conclude that the models of interactions in the dark sector considered in this paper are not flexible enough to fit all the cosmological data including values of $H_0$ from SH0ES in a statistically acceptable way. Therefore, the addition of one extra degree of freedom (i.e. the coupling between dark matter and dark matter) does not help enough to alleviate the already existing tension in the vanilla $Λ$CDM, suggesting that the models would need to be modified to include further flexibility of predictions to help elucidate this issue.

研究の動機と目的

• ΛCDMの緊張、特にハッブル緊張への解としてダークセクター相互作用の探索を促す。
• IDEモデルにおけるHubble率の摂動を組み込むことでゲージ整合的な摂動補正を取り入れる。
• 更新されたデータセット（Planck 2018、Pantheon+、BAO、RSD）を用いて3つのIDEモデルを制約し、SH0ESのH0との適合性を評価する。
• ベイズ証拠とχ²指標を用いてΛCDMとモデル比較を行う。

提案手法

• Q = H(λ1 ρdm + λ2 ρde) を用いるIDEモデルのクラスを採用し、背景と摂動の進化を研究する。
• ゲージ不変性に必要なδH項を含めることで摂動方程式を補正する。
• パラメータ事後分布とベイズ証拠を得るためにNested Samplingを用いたMCMC解析に対して、修正済みCLASSとPLINYを用いる。
• Planck 2018のCMB、Pantheon+ SNIa、BAO、RSDデータを利用し、いくつかの解析でSH0ES H0アンカーを含める。

Figure 1: 2-D contours (68% and 95% C.L.) of selected cosmological parameters for Model I, using different combinations of datasets. The inclusion of datasets other than CMB improves significantly the constraints. The different contours, however, do not superimpose and the degeneracy between $\Omega

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Q ∝ H(ρdm, ρde) を持つIDEモデルは、結合データをΛCDMと同程度に適合させるか？
• RQ2 Hubble率の摂動を含めることはIDE結合の制約と推定H0に影響を与えるか？
• RQ3 すべてのデータセット（CMB、BAO、RSD、SNIa）を組み合わせた場合、IDEモデルはハッブル緊張を緩和できるか？
• RQ4 最新データを考慮したとき、IDEがΛCDMより統計的に優れているという傾向はあるか？
• RQ5 低赤方偏移の探査と比較して、SH0ESのH0測定値とIDEモデルの適合性はどの程度か？

主な発見

• 1つのIDEモデル（Model III）はH0緊張を部分的に最も良く緩和するが、すべてのデータを組み合わせると依然として適合性がない。
• 摂動方程式へのδHの含有は結合定数の制約を厳しくし、パラメータ間の縮退を変える。
• CMB+BAO+SNIa+RSDの結合解析は、どのIDEモデルにおいても全データセット間で2D等高線の重なりが見られず、SH0ES H0との残留緊張を示唆する。
• ベイズ証拠はIDEをΛCDMより著しく支持せず（CMB+BAO+SNIa+RSDを用いたすべてのモデルで|Δχ²| < 1）。
• Model III では、結合データ下でH0は68.11^{+0.21}_{-0.22} km/s/Mpcへ移動し、SH0ESとの緊張は縮小するが完全には解消されず（4.6σ対 SH0ES）。
• SH0ESアンカーはすべてのモデルで低赤方偏移データと高赤方偏移データの重なりを減少させ、結合暗黒エネルギー系における持続的な緊張を示唆する。

Figure 2: 2-D contours (68% and 95% C.L.) of selected cosmological parameters for Model II, using different combinations of datasets. Contrary to Model I, the degeneracies between some cosmological parameters are broken by the combination of datasets. The contours of all datasets (but SH0ES) are ove