[論文レビュー] Phenomenologically Emergent Dark Energy and Ruling Out Cosmological Constant

Xiaolei Li, Arman Shafieloo|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、暗黒エネルギーが遅い時期にのみ現れる現象論的Emergentな暗黒エネルギーモデルを提案する。このモデルでは、方程式の状態パラメータが、初期には −2/(3 ln 10) − 1 から始まり、将来的には −1 へと変化する。SNe Ia、BAO、Lyα BAO、CMBの組み合わせデータへのフィットにおいて、標準的ΛCDMモデルを上回り、Δχ²bf ≈ −41.08 および ΔDIC ≈ −35.38 の改善を示す。これは、局所的 H₀ 測定値が信頼できる場合、および系統的誤差が最小限であるならば、宇宙定数が否定される強力な統計的証拠を示唆する。

ABSTRACT

Motivated by the current status of the cosmological observations and significant tensions in the estimated values of some key parameters assuming the standard $\Lambda$CDM model, we propose a simple but radical phenomenological emergent dark energy model where dark energy has no effective presence in the past and emerges at the later times. Theoretically, in this phenomenological dark energy model with zero degree of freedom (similar to a $\Lambda$CDM model), one can derive that the equation of state of dark energy increases from $-\frac{2}{3 { m{ln}}\, 10} -1$ in the past to $-1$ in the future. We show that by setting a hard-cut 2$\sigma$ lower bound prior for the $H_0$ that associates with $97.72\%$ probability from the recent local observations~\citep{riess2019large}, this model can satisfy different combinations of cosmological observations at low and high redshifts (SNe Ia, BAO, Ly{$\alpha$} BAO and CMB) substantially better than the concordance $\Lambda$CDM model with $\Delta \chi^2_{bf} \sim -41.08$ and $\Delta\,{ m{DIC}} \sim-35.38$. If there are no substantial systematics in SN Ia, BAO or Planck CMB data and assuming reliability of the current local $H_0$ measurements, there is a very high probability that with slightly more precise measurement of the Hubble constant our proposed phenomenological model rules out the cosmological constant with decisive statistical significance and is a strong alternative to explain combination of different cosmological observations. This simple phenomenologically emergent dark energy model can guide theoretically motivated dark energy model building activities.

研究の動機と目的

• 標準的ΛCDMフレームワーク内での宇宙論的パラメータ推定値の増大する矛盾、特に H₀ に焦点を当てる。
• 遅い時期にのみ現れる暗黒エネルギーモデルが、ΛCDMよりも多様な宇宙論的観測をより良く統合できるかを調査する。
• 局所的 H₀ 測定値が信頼でき、SNe Ia、BAO、CMBデータに大きな系統的誤差がないと仮定した場合、宇宙定数を除外する統計的有意性を評価する。
• 将来の理論的動機付けを持つ暗黒エネルギー理論の構築を導く現象論的モデルを提供する。

提案手法

• 時間に依存する暗黒エネルギーを有する現象論的暗黒エネルギーモデルを提案する。これはΛCDMと同様に自由度ゼロのモデルであるが、過去には存在しない。
• 時間関数としての暗黒エネルギーの状態方程式を導出する。これは、初期には −2/(3 ln 10) − 1 から始まり、将来には −1 へと変化する。
• Riessら（2019）の局所的測定値に基づき、H₀ に2σ下限境界の事前分布を適用する。これは97.72%の確率に対応する。
• SNe Ia、BAO、Lyα BAO、およびPlanck CMBデータを用いた統合尤度解析を実施し、モデルの性能を比較する。
• Δχ²bf および ΔDIC を用いて、ΛCDMに対するモデル改善を定量的に評価する。
• 局所的 H₀ が正確で、他のデータセットに大きな系統的誤差がないと仮定した場合、宇宙定数を除外する統計的有意性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅い時期にのみ現れる現象論的暗黒エネルギーモデルが、標準的ΛCDMモデルよりも、低赤方偏移および高赤方偏移の宇宙論的観測をよりよく説明できるか？
• RQ2 局所的 H₀ 測定値が信頼でき、SNe Ia、BAO、CMBデータに重大な系統的誤差がないと仮定した場合、このEmergentな暗黒エネルギーモデルに移行することで、宇宙定数を除外する統計的有意性はどの程度か？
• RQ3 本モデルにおける時間に依存する暗黒エネルギーの状態方程式は、ΛCDMの定数 w = −1 と比較してどのように異なるか？また、観測的一致性にどのような意味を持つのか？
• RQ4 H₀ に2σ下限境界の事前分布を含めることで、モデルの宇宙論的データへのフィットがΛCDMに比べてどの程度改善されるか？
• RQ5 本モデルが現象論的に成功しているという事実を踏まえると、将来の理論的暗黒エネルギー理論の構築にどのような示唆を与えるか？

主な発見

• SNe Ia、BAO、Lyα BAO、CMBデータの組み合わせへのフィットにおいて、Emergentな暗黒エネルギーモデルはΛCDMモデルに対してΔχ²bf ≈ −41.08 の改善を達成した。
• 本モデルは、情報理論的基準に基づく統計的優位性を示すために、ΛCDMモデルに対してΔDIC ≈ −35.38 の改善を示した。
• 暗黒エネルギーの状態方程式は、初期には −2/(3 ln 10) − 1 ≈ −1.30 から始まり、将来的には −1 へと変化する。これは、遅い時期に現れるという事実と整合的である。
• わずかに改善された H₀ 測定値があれば、信頼できる局所的 H₀ および最小限の系統的誤差を仮定した場合、宇宙定数を除外する決定的な統計的証拠が得られる。
• 本モデルの優れたフィットは、今後のデータが現在の局所的 H₀ 値を確認し、重大な系統的誤差がない場合、宇宙定数が非常に高い信頼性で除外されうることを示唆する。
• この現象論的モデルは、ΛCDMの代替として実現可能で、観測的に動機付けられた選択肢を提供し、より根本的な暗黒エネルギー理論の開発を導く手がかりとなる。