[論文レビュー] Dark matter solution to the $H_{0}$ and $S_{8}$ tensions, and the integrated Sachs-Wolfe void anomaly

Krishna Naidoo, Mariana Jaber+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 70被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、初期にはゼロであり、後期には負で増加する時間変化する状態方程式（w_dm）を持つ、進化するダークマター（ΛeDM）の現象論的モデルを提案する。このモデルは、同時にH₀およびS₈の矛盾を緩和し、宇宙の空洞から観測された異常な大規模Sachs-Wolfe（ISW）効果を説明する。ΛCDMと比較して、ISW効果が最大で約2倍に増幅すると予測され、複数の宇宙論的矛盾に対するダークマターに基づく統一的解決策を提供する。

ABSTRACT

We consider a phenomenological model of dark matter with an equation-of-state $w$ that is negative and changing at late times. We show this couples the $H_{0}$ and $S_{8}$ tensions, alleviating them both simultaneously, reducing the $H_{0}$ tension from $\sim5σ$ to $\sim3σ$ and the $S_{8}$ tension from $\sim3σ$ to $\sim1σ$. Furthermore, the model provides an explanation for the anomalously large integrated Sachs-Wolfe (ISW) effect from cosmic voids, a unique consequence of the changing and negative equation-of-state. Observations of high ISW from cosmic voids may therefore be evidence that dark matter plays a significant role in both the $H_{0}$ and $S_{8}$ tensions. We predict the ISW from cosmic voids to be a factor of up to $\sim2$ greater in this model than what is expected from the standard model $Λ$CDM. These results extend to other degenerate models of dark matter, such as unified or interacting dark matter and dark energy models.

研究の動機と目的

• 時間変化する状態方程式を有する現象論的ダークマター・モデルを検討することで、宇宙論における持続的なH₀およびS₈の矛盾を解決すること。
• 特に光度的空洞からの異常な大きなISW信号が、後期のダークマター力学によって説明可能かどうかを調査すること。
• 1つのダークマター・モデルが、同時に複数の宇宙論的矛盾および異常を緩和可能かどうかを検証すること。
• Planck 2018、超新星、BAO、H₀測定を含む宇宙論的データを用いて、モデルのパラメータを制約すること。

提案手法

• 初期にはゼロから後期にかけて非ゼロの値に線形的に増加するスケール因子依存の状態方程式w_dm(a)を有する、進化するダークマター（ΛeDM）の現象論的モデルを構築する。
• 連続方程式を用いてダークマター密度の進化を導出し、積分形W(a) = exp(3∫ₐ¹ w_dm(a′)/a′ da′)により、状態方程式と密度進化を関連付ける。
• 宇宙定数（Λ）を含む宇宙論的フレームワークにモデルを組み込み、後期のダークマターとダークエネルギーの結合を有する相互作用的ダークエネルギー・モデルと同等であることを示す。
• Cobayaパッケージを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングにより、Planck 2018、超新星、BAO、H₀データを用いてモデルパラメータ（w_dm,0およびa_nz）を制約する。
• 3種類の空洞（分光的空洞、光度的空洞、エリダヌス空洞）からのISWおよび弱引力レンズ効果を計算し、ΛCDMの予測と比較する。
• H₀、S₈、空洞ISW/レンズ効果の振幅に関する観測制約と照らし合わせて、モデルの予測を検証し、矛盾解消の有意水準を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間変化するダークマター状態方程式は、同時に宇宙論におけるH₀およびS₈の矛盾を解消可能か？
• RQ2 光度的空洞からの異常な大きなISW信号は、後期における非標準的なダークマター行動を示唆するか？
• RQ3 ΛeDMモデルは、他の宇宙論的観測と整合的である限り、空洞ISW異常をどの程度説明可能か？
• RQ4 パラメータw_dm,0およびa_nzは、宇宙空洞からのISWおよびレンズ効果にどのように影響を与え、観測はそれらにどのような制約を課すか？
• RQ5 H₀およびS₈の矛盾と空洞ISW異常には、1つのダークマター・モデルで解消可能なデゲネラシーが存在するか？

主な発見

• H₀データを含めた場合、ΛCDMにおける5.04σのH₀矛盾はΛeDMモデルで3.04σに低下し、S₈矛盾も2.94σから1.21σに緩和され、顕著な改善が示された。
• モデルは、特に光度的空洞に対して、ΛCDMと比較して最大で約2倍の大きなISW信号を予測し、観測された異常な信号と一致する。
• ΛeDMにおけるISW振幅はH₀と強く正の相関を示す。H₀が高くなるほどISW信号が大きくなり、空洞からの高いISW信号と観測と整合する。
• ΛeDMでは、特に光度的空洞において、レンズ収束振幅A_κがΛCDMと比較して抑制される。これは、観測で見られるレンズ信号がΛCDMの予測値以下またはそれと一致するのと整合する。
• パラメータw_dm,0とa_nzは強くデゲネラシーを示すが、データは非ゼロのw_dm,0を支持しており、w_dm,0 ≈ -0.15であると示唆され、ダークマターの後期に負の状態方程式があることを示す。
• ΔAICおよびΔχ²統計量から、特にH₀およびISWデータを含めた場合、ΛeDMはΛCDMよりも良いフィットを示す。