[論文レビュー] Diagnosing the cosmic coincidence problem and its evolution with recent observations

Jie Zheng, Yun Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ダークエネルギー宇宙論における宇宙的一致問題を、密度が $\rho_X \propto \rho_m a^\xi$ の形でスケーリングする現象論的モデルを用いて調査する。パンセオン超新星 Ia、プランクCMB、BAO調査の統合データを用い、定数 $\xi$ の場合、$\xi = 3.28 \pm 0.15$ が得られ、$\Lambda$CDMモデルが支持されるが、時間に依存する $\xi(z)$ も否定されない。ベイズ的証拠は定数 $\xi$ のモデルをわずかに好む。現在の観測では、一致問題は依然として残存する。

ABSTRACT

In the framework of a phenomenological cosmological model with the assumption of $ρ_{X} \propto ρ_{m} a^ξ$ ($ρ_{X}$ and $ρ_{m} $ are the energy densities of dark energy and matter, respectively.), we intend to diagnose the cosmic coincidence problem by using the recent samples of Type Ia supernovae (SNe Ia), baryon acoustic oscillation (BAO) and cosmic microwave background (CMB). $ξ$ is a key parameter to characterize the severity of the coincidence problem, wherein $ξ=3$ and $0$ correspond to the $Λ$CDM scenario and the self-similar solution without the coincidence problem, respectively. The case of $ξ= Constant$ has been investigated in the previous studies, while we further consider the case of $ξ(z) = ξ_{0} + ξ_{z}*\frac{z}{1+z}$ to explore the possible evolution. A joint analysis of the Pantheon SNe Ia sample with the recent BAO and CMB data figures out that $ξ=3.28\pm0.15$ in the case of $ξ= Constant$ at $68\%$ confidence level (CL), in addition, $ξ_{0} = 2.78_{-1.01}^{+0.28}$ and $ξ_{z} = 0.93_{-0.91}^{+1.56}$ in the case of $ξ(z)$ at $68\%$ CL. It implies that the temporal evolution of the scaling parameter $ξ$ is accepted by the joint sample at $68\%$ CL; however, the joint sample also cannot distinguish whether the scaling parameter $ξ$ is variable or not at 95\% CL. Moreover, the $Λ$CDM scenario is accepted by the joint sample at $95\%$ CL in both cases, and the coincidence problem still exists. In addition, we apply the Bayesian evidence to compare the models with the analysis of the joint sample, it turns out that the $Λ$CDM scenario is most supported by the joint sample; furthermore, the joint sample prefers the scenario with a constant $ξ$ to the one with a variable $ξ(z)$.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーと物質密度比を特徴付けるスケーリングパラメータ $\xi$ を用いた現象論的モデルを用いて、宇宙論的一致問題を診断すること。
• 最近の観測データを用いて、スケーリングパラメータ $\xi$ が定数か赤方偏移に依存して変化するかを検証すること。
• ベイズ的モデル比較を通じて、$\Lambda$CDMモデルと代替のダークエネルギー状況の妥当性を評価すること。
• 現在のデータが定数 $\xi$ と赤方偏移依存の $\xi$ を区別できるかを特定し、一致問題の深刻さに光を当てる。

提案手法

• ダークエネルギー密度が $\rho_X \propto \rho_m a^\xi$ に比例する現象論的モデルを採用し、$\xi$ を一致問題の深刻さを定量化する主要パラメータとする。
• 二つのシナリオを分析する：$\xi = \text{定数}$ および $\xi(z) = \xi_0 + \xi_z \cdot \frac{z}{1+z}$ により、$\xi$ の赤方偏移依存性を許容する。
• パンセオンSNe Iaサンプル、プランク2018年CMBパワースペクトルデータ、および6dFGS、SDSS DR7 MGS、BOSS DR12からのBAO測定を統合して制約を導出する。
• パラメータ推定と68%および95%信頼水準での信用区間の計算にマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用いる。
• MCEvidenceパッケージを用いてベイズ的証拠を計算し、モデル支持の比較にベイズ因子を用いる。
• 単一サンプル（パンセオン）と統合サンプル（SNe+BAO+CMB）の両方の制約を含め、データの相乗効果とパラメータ制約の改善を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の宇宙論的データが示唆するように、スケーリングパラメータ $\xi$ は宇宙の時間とともに一定か、変化するか？
• RQ2 $\Lambda$CDMモデル（$\xi=3$）は、最新のSNe Ia、CMB、BAO観測と整合性を保っているか？
• RQ3 現在のデータは、定数 $\xi$ と赤方偏移依存の $\xi(z)$ を区別できるか。その結果、宇宙的一致問題の理解に寄与するか？
• RQ4 定数 $\xi$ モデルと変化する $\xi(z)$ モデルのどちらが、統合データセットからのベイズ的証拠によってより強く支持されるか？

主な発見

• 定数 $\xi$ シナリオでは、統合解析により68%信頼水準で $\xi = 3.28 \pm 0.15$ が得られ、$\Lambda$CDMモデル（$\xi=3$）は95%信頼水準で整合的である。
• 時間変化する $\xi(z)$ シナリオでは、68%信頼水準で $\xi_0 = 2.78_{-1.01}^{+0.28}$ および $\xi_z = 0.93_{-0.91}^{+1.56}$ が得られ、95%信頼水準では $\xi_z \in [-0.67, 4.40]$ となる。これは、変化の明確な証拠がないことを示している。
• $\Lambda$CDMモデルは、定数 $\xi$ および時間変化する $\xi$ の両シナリオで95%信頼水準で受け入れられ、現在のデータでは一致問題は解消されていない。
• ベイズ的証拠分析では、$\Lambda$CDMモデルが統合データから最も支持されており、定数 $\xi$ モデルが変化する $\xi(z)$ モデルよりもわずかに好まれる。
• BAOおよびCMBデータの組み込みにより、他のパラメータの制約が著しく厳しくなるが、$\xi_0$ および $\xi_z$ の制約には限定的な改善しか得られていない。これは、さらなるプローブの必要性を示唆している。
• データは時間変化する $\xi$ を完全に除外していないが、現在の証拠は定数 $\xi$ のモデルを変化する $\xi(z)$ モデルよりも好む。すべてのテストされたモデルにおいて、一致問題は依然として残存する。