[論文レビュー] Relieve the $H_0$ tension with a new coupled generalized three-form dark energy model

Yan-Hong Yao, Xin-He Meng|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、共形的カップリングを介した非正則な三形式場を導入することで、H₀のパラドックスを軽減するカップリングされた一般化三形式ダークエネルギー模型を提案する。この模型は、H₀ = 70.1⁻¹.⁵⁺¹.⁴ km/s/Mpcを達成し、2.0σの有意水準でR19の局所測定と整合的であり、初期に正の状態方程式を示すクイントムに類似したダークエネルギーとしての振る舞いを示し、ΛCDMや他の変種と比較して、パラドックスの低減において優れている。

ABSTRACT

In this work we propose a new coupled generalized three-form dark energy model, in which dark energy are represented by a three-form field and other components are represented by ideal fluids. We first perform a dynamical analysis on the new model and obtain four fixed points, including a saddle point representing a radiation dominated Universe, a saddle point representing a matter dominated Universe, and two attractors representing two dark energy dominated Universes. We then use the observational data, including cosmic microwave background (CMB) data, baryon acoustic oscillations (BAO) data, and Type Ia supernovae (SN Ia) data to constrain the model parameters of the coupled generalized three-form dark energy model. For comparison, we also consider the coupled three-form dark energy model, generalized three-form dark energy model, and $Λ$CDM model, we find that the coupled generalized three-form dark energy model is the only one model that can reduce the $H_0$ tension to a more acceptable level, with $H_0=70.1_{-1.5}^{+1.4}$ km/s/Mpc, which is consistent with R19 at $2.0σ$ confidence level. We also investigate the best-fit dynamical behavior of the coupled generalized three-form dark energy model, and show that our model is equivalent to a quintom dark energy model, in which dark energy, at early epoch, behaves like some form of early dark energy with a small positive equation of state.

研究の動機と目的

• Planck CMBデータ（H₀ ≈ 67.4 km/s/Mpc）と局所的距離ラダー測定（R19：H₀ ≈ 74 km/s/Mpc）の間の持続的であるH₀のパラドックスを解消すること。
• 一般化三形式ダークエネルギー場に共形的カップリングを導入した場合、標準モデルと比較してH₀のパラドックスをより効果的に低減できるかどうかを検討すること。
• 特に宇宙歴史全般にわたる有効状態方程式とその進化を含めた、模型の動的挙動を調査すること。
• 観測データを用いて、カップリングされた一般化三形式模型を、カップリングされた三形式、一般化三形式、およびΛCDM模型と比較すること。

提案手法

• 非正則な三形式場とダークマターへの共形的カップリングを有するカップリングされた一般化三形式ダークエネルギー模型を、流体成分の変分的定式化を用いて構築する。
• 固定点（放射支配期および物質支配期のサドル点、ダークエネルギー支配期の2つのアトラクタ）を特定するための動的システム解析を実施する。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いて、Planck 2018の圧縮CMB、BAO、JLA SN Iaデータセットをもとに、模型のパラメータを制約する。
• 正規化されたエネルギー密度比を用いてダークエネルギーの有効状態方程式を計算し、赤方偏移にわたってその進化を追跡する。
• AICと、最適適合H₀とR19の間のパラドックスの有意水準（σ）を用いて、模型の性能を比較し、フィットの良さを評価する。
• ハッブル定数と有効ダークエネルギー密度を再構築し、初期に正のwを示すクイントムに類似した振る舞いを示すかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カップリングされた一般化三形式ダークエネルギー模型は、ΛCDMや他の変種で観測される4.5σ未満のH₀パラドックスを低減できるか？
• RQ2 カップリングされた一般化三形式模型において、ダークエネルギーの有効状態方程式は、特に初期にどのように進化するか？
• RQ3 カップリングされた一般化三形式模型は、放射、物質、ダークエネルギーの各時代にわたり、動的安定性を示し、宇宙論的観測と整合的か？
• RQ4 模型の挙動は、初期にダークエネルギーに類似した正の状態方程式と、後期にファントムに類似した振る舞いを示すクイントムモデルに類似しているか？
• RQ5 フィットの良さとパラドックス低減の観点から、カップリングされた三形式、一般化三形式、およびΛCDM模型と比較して、本模型はどのように差をつけるか？

主な発見

• カップリングされた一般化三形式ダークエネルギー模型は、H₀のパラドックスを2.0σにまで低減し、H₀ = 70.1⁻¹.⁵⁺¹.⁴ km/s/Mpcを達成した。これはR19の局所測定と整合的である。
• テストされたすべての模型の中で、唯一カップリングされた一般化三形式模型が2.0σ以内のパラドックスレベルを達成しており、他の模型は4.1σ以上に留まっている。
• 模型はクイントムに類似した挙動を示し、初期に小さな正の状態方程式（z ≳ 30）を示しており、初期ダークエネルギーの特徴を示している。
• ダークエネルギーの有効状態方程式は、高赤方偏移で正の値から低赤方偏移で-1未満の値へと進化しており、クイントムに類似したダイナミクスを確認した。
• AIC性能（693.321）はΛCDM（696.732）を上回っており、フィット品質と同等であるにもかかわらず、モデル比較指標が改善されている。
• 動的システム解析により、ダークエネルギー支配期に2つの安定なアトラクタが確認され、後期宇宙加速と長期的な一貫性が保証された。