[論文レビュー] Modified Emergent Dark Energy and its Astronomical Constraints

H. Benaoum, Weiqiang Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、追加のパラメータ α を持つ修正臨界的暗黒エネルギー（MEDE）モデルを紹介する。このモデルは、ΛCDM（α=0）と PEDE（α=1）の間を補間する、現象論的臨界的暗黒エネルギー（PEDE）モデルの一般化された拡張形である。CMB、BAO、Pantheon SNe Ia、および局所的 H₀ 測定を用いた分析により、モデルはわずかに H₀ 矛盾を緩和するが、それを解消はしない。ΛCDM は、R19 局所的 H₀ 前提が含まれない限り、依然として好まれる。

ABSTRACT

We introduce a modified form of the Phenomenologically Emergent Dark Energy (PEDE) model by showing a very elegant approach. The model is named as Modified Emergent Dark Energy (MEDE) to distinguish from PEDE model and it includes $Λ$CDM, PEDE model, Chevallier-Polarski-Linder model and other cosmological models of interest. We show that the present article offers a very fantastic route to construct other PEDE models in a simple but very elegant way. The model has seven free parameters where the six parameters are the same as in $Λ$CDM or PEDE model and the remaining one parameter `$α$' quantifies the generalization. The present model predicts that dark energy equation of state at present assumes, $w_{ m DE}\; (z=0) = -1 - \fracα{3 \ln (10)}$ and in the far future (i.e., for $z \longrightarrow -1$), it will evolve asymptotically to $w_{ m DE} \longrightarrow -1$. We perform a very robust observational analysis of the model using various observational datasets including cosmic microwave background radiation, baryon acoustic oscillations distance measurements, a local value of the Hubble constant and the pantheon sample of Supernovae Type Ia. We find that the $H_0$ tension here is alleviated but not solved, while the only free parameter, $α$ could recover the $Λ$CDM or PEDE for different datasets. In summary, the present article describes a novel route to construct other modified versions of the PEDE model in a very simplified manner.

研究の動機と目的

• ΛCDM と他の宇宙論的モデルを特別なケースとして含む、より広範な枠組みに PEDE モデルを一般化すること。
• 新たな自由度を導入せずに PEDE モデルの最小限の修正によって H₀ 矛盾が緩和可能かどうかを調査すること。
• CMB、BAO、SNe Ia、局所的 H₀ 測定を含む複数の観測データセットに対する、一般化モデルのロバストネスをテストすること。
• MEDE モデルが暗黒エネルギー力学を統一的に記述する理論的・現象論的妥当性を検討すること。

提案手法

• α をパrameterとする一般化関数 g(z) を暗黒エネルギーの状態方程式に導入し、ΛCDM と PEDE モデルの間を補間する。
• 暗黒エネルギーの状態方程式を w_DE(z=0) = -1 - α/(3 ln(10)) および z → -1 のとき w_DE → -1 と導出することで、ΛCDM 行動への漸近的接近を示す。
• Planck 2018 CMB、BAO、Pantheon SNe Ia、R19 局所的 H₀ データセットを用いた、7つの自由パラメータ（α を含む）の制約にための連合ベイズ解析を実施。
• マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）技術を用いて事後分布を計算し、異なるデータ組み合わせにおけるモデルのデータ適合性を評価。
• ベイズ情報基準と信頼区間を用いて、MEDE モデルと ΛCDM、PEDE の間でモデルの好みを比較。
• CMB スペクトルに与える α の影響を、特に低多重度および高多重度領域で分析し、その宇宙論的意義を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PEDE モデルは、ΛCDM が極限ケースとして含まれるより広範な宇宙論的枠組みに一般化可能か？
• RQ2 MEDE モデルに追加のパラメータ α を含めることで、ΛCDM で観測される H₀ 矛盾が顕著に緩和されるか？
• RQ3 CMB、BAO、SNe Ia、局所的 H₀ 測定を含む複数の独立したデータセットに直面したとき、MEDE モデルの性能はいかがなものか？
• RQ4 R19 H₀ 前提が含まれる状況において、α を自由に変化させた場合、PEDE モデルが ΛCDM よりも好まれるのか？
• RQ5 パラメータ α は、特に低多重度および高多重度領域で CMB スペクトルにどのような役割を果たすか？

主な発見

• MEDE モデルは H₀ 矛盾をわずかに緩和するが、解消はしない。R19 と比較した場合、CMB+Pantheon の組み合わせで 3.3σ、CMB+BAO+Pantheon の組み合わせで 3.4σ の矛盾が継続する。
• CMB+Pantheon および CMB+BAO+Pantheon の 68% 信頼区間において、α=0 が許容されるため、これらの組み合わせでは ΛCDM がデータと整合的であることが示される。
• α=0 のとき ΛCDM に回復され、α=1 のとき PEDE に回復されることから、既存の宇宙論的モデルを統一的に記述する性質が確認される。
• CMB+R19 および CMB+BAO+R19 の組み合わせでは、非ゼロの α が好まれており、R19 H₀ 前提が含まれる際には PEDE に類似した振る舞いが支持される。
• CMB スペクトルの分析から、α の影響は低多重度領域でのみ顕著であり、高多重度領域ではその影響が薄れる。
• CMB 単体の事後分布が二峰性を示すことは、MEDE モデルに対する制約が弱く、信頼性のある推論のためには複数データの組み合わせが不可欠であることを裏付ける。