[論文レビュー] Early dark energy induced by non-linear electrodynamics

H. B. Benaoum, Luz Ángela García+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、非線形電磁力学（NLED）によって生成される初期の暗黒エネルギーモデルを提案する。マクスウェルの電磁力学からの逸脱—パラメータβが非ゼロであることで定量化される—が、初期宇宙における一時的な暗黒エネルギー成分を引き起こす。このモデルは、ハッブル定数とσ₈の矛盾を緩和し、H₀ = 70.2 ± 0.9 km/s/Mpcおよびσ₈ = 0.798 ± 0.007を予測する。これは、初期時と後期時の観測結果と両方で整合的である。

ABSTRACT

In this work, we introduce a parametrization of early dark energy that mimics radiation at early times and governs the present acceleration of the Universe. We show that such parametrization models non-linear electrodynamics in the early Universe and investigate the cosmological viability of the model. In our scenario, the early dark energy is encoded in the non-linearity of the electromagnetic fields through a parameter $β$ that changes the Lagrangian of the system, and the parameters $γ_s$ and $α$, that define the departure from the standard model constant equation of state. We use a Bayesian method and the modular software extsc{CosmoSIS} to find the best values for the model's free parameters with precomputed likelihoods from Planck 2018, primordial nucleosynthesis data, inferred distances from different wide galaxy surveys and luminosity distances of SNIa from Pantheon and SH0ES, such that $γ_s =$ 0.468 $\pm$ 0.026 and $α=$ -0.947 $\pm$ 0.032, as opposed to $Λ$CDM where $γ_s = β=$ 0 and there is no equivalence for the $α$ parameter. Our results predict an earlier formation of the structure and a shorter age of the Universe compared with the canonical cosmological model. One of the main findings of our work is that this kind of dark energy alleviates the ongoing tensions in cosmology, the Hubble tension and the so-called $σ_8$ tension, which predicted values by our model are H$_o =$ 70.2 $\pm$ 0.9 km/s/Mpc and $σ_8 =$ 0.798 $\pm$ 0.007. The reported values lie between the inferred values inferred from early and late (local) Universe observations. Future observations will shed light on the nature of the dark energy, its impact on the structure formation, and its dynamics.

研究の動機と目的

• ハッブル定数とσ₈の矛盾を解消するために、動的な初期の暗黒エネルギー成分を導入すること。
• 非線形電磁力学（NLED）が初期宇宙において自然に初期の暗黒エネルギーを生成できるかどうかを検討すること。
• NLEDフレームワークから導かれた現象論的初期の暗黒エネルギーモデルの宇宙論的妥当性を検証すること。
• プランク2018、BBN、BAO、SNIa、および局所的距離測定を含む包括的な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。
• ΛCDMモデルと比較して、このモデルが構造形成および宇宙膨張歴史に与える影響を評価すること。

提案手法

• 高赤方偏移で放射に類似するが、後期に加速を駆動する初期の暗黒エネルギーの一般化されたパラメータ化を提案する。
• 初期の暗黒エネルギーを非線形電磁力学としてモデル化し、非線形性パラメータβを用いてラグランジアンを修正する。βはγₛおよびαと関連づけられる。
• ベイズ推論を用い、CosmoSISモジュラー・ソフトウェアを用いて、プランク2018、BBN、BAO、パンセオンSNIa、SH0ESの事前計算された尤度にモデルをフィットする。
• MCMCサンプリングを用いて、γₛ、α、Ω_de,o、およびβの制約を導出する。βはマクスウェル電磁力学からの逸脱を定量化する。
• R_CMB、H₀、σ₈、S₈といった主要な宇宙論的観測量を計算し、観測結果との整合性を検証する。
• 特に物質-放射等価の時期および構造形成に関する点で、ΛCDMモデルと予測を比較する。

Figure 1: Evolution of the energy densities $\Omega(a)$ for radiation, matter and dark energy for $\gamma_{s}=10^{-3}$ and $\alpha=0.25$ . Here $\Omega_{r,o}=10^{-4}$ , $\Omega_{m,o}=0.3$ and $\Omega_{de,o}=1-\Omega_{m,o}-\Omega_{r,o}$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形電磁力学が、現在の宇宙論的矛盾を緩和する初期の暗黒エネルギー成分を自然に生成できるか？
• RQ2 標準モデルの状態方程式からの逸脱を定義するパラメータγₛおよびαは、ハッブル定数および宇宙膨張歴史にどのように影響を与えるか？
• RQ3 電磁力学から導かれる非線形性パラメータβは、初期の構造形成および音響ホライズンスケールにどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 このモデルは、初期時と後期時の観測値の間にあるハッブル定数およびσ₈の値を予測するか？ これにより、ハッブル定数とσ₈の矛盾が解消されるか？
• RQ5 このモデルによるR_CMBの予測はプランクデータとどのように一致するか？ これは初期の構造形成にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 最良適合値としてγₛ = 0.468 ± 0.026およびα = -0.947 ± 0.032が得られ、これはΛCDMモデル（γₛ = β = 0）とは顕著に異なることを示している。
• 非線形性パラメータβは0.015 ± 0.008に制約され、マクスウェル電磁力学からの非ゼロの逸脱を確認し、初期の暗黒エネルギーのNLED起源を支持する。
• ハッブル定数はH₀ = 70.2 ± 0.9 km/s/Mpcと予測され、プランク2018の値（67.4 ± 0.5）とSH0ESの局所的測定値（73.04 ± 1.04）の間にあるため、ハッブル定数の矛盾が緩和される。
• σ₈パラメータは0.798 ± 0.007と予測され、KiDSや2dFLenSなどの弱引力レンズ測定と整合的であり、プランクから推定された値と後期の測定値の間にある。
• S₈パラメータは0.758 ± 0.007と推定され、最近の弱引力レンズデータと整合的であり、プランクと後期の値の間にあるため、S₈の矛盾が軽減される。
• このモデルは、ΛCDMと比較して物質-放射等価が早期に発生し、構造形成が速やかに進行すると予測される。これはR_CMB = 1.61⁺⁰.²³₋₀.₀₄が低いことからも裏付けられ、初期の暗黒エネルギー効果に一致する。

Figure 2: Evolution of the energy density for dark energy $\Omega_{de}(a)$ for $\alpha=0.25$ and different values of $\gamma_{s}$ . Here $\Omega_{r,o}=10^{-4}$ , $\Omega_{m,o}=0.3$ and $\Omega_{de,o}=1-\Omega_{m,o}-\Omega_{r,o}$ .