[論文レビュー] The Sigma-8 Tension is a Drag

Vivian Poulin, José Luis Bernal+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Mechanics and Biomechanics Studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、低赤方偏移（$z \lesssim 1$）における物質クラスタリングを抑制することで$S_8$の矛盾を解消する、ダークマターとダークエネルギー（DM-DE）の摩擦力相互作用を提案する。背景膨張の歴史を変えることなく$\sigma_8$を低減することで、$S_8$の矛盾を解消する。モデルは物質-ダークエネルギー等価赤方偏移で非ゼロの摩擦力を支持し、宇宙シアリングデータと約$3\sigma$の整合性を示す一方で、高赤方偏移のCMB測定とも両立可能である。

ABSTRACT

Measurements of weak gravitational lensing at low redshifts ($z\lesssim 0.5-1$), quantified by the parameter $S_8$, favor weaker matter clustering than that expected from the standard $Λ$CDM cosmological model with parameters determined by cosmic microwave background (CMB) measurements. However, the amplitude of matter clustering at higher redshifts, as probed by lensing of the CMB, is consistent with $Λ$CDM. This apparent paradox suggests a connection between the $S_8$ tension and the transition from matter to dark-energy domination. Here we show that the tension can be resolved by introducing a friction between dark matter and dark energy without altering the tightly constrained expansion history. The low-$S_8$ measurements favor (at $\gtrsim3σ$, in this one parameter model) a non-zero drag leading to a suppression of low-redshift power right around the transition from matter to dark-energy domination. We suggest ways to further probe the scenario.

研究の動機と目的

• 低赤方偏移の弱引力レンズ測定と高赤方偏移のCMB制約との間の$S_8$の矛盾を$\Lambda$CDMで解決すること。
• 低赤方偏移におけるダークマターとダークエネルギーの相互作用が、背景膨張歴史を変えることなく物質クラスタリングの振幅を抑制できるかどうかを調査すること。
• 相互作用の開始時刻—物質-ダークエネルギー等価に近い時期—が、宇宙的一致問題の自然な解決策を提供するかどうかを検討すること。
• 特に宇宙シアリングとCMBレンズ効果からの$S_8$測定を含む宇宙論的データを通じて、DM-DE摩擦モデルの妥当性を評価すること。
• 標準$\Lambda$CDMやバリオン効果の代替解とを区別するための今後の観測的プローブを同定すること。

提案手法

• 低赤方偏移でのみ作用する摩擦係数$\gamma$でパラメータ化された、ダークマターとダークエネルギー間の現象論的摩擦力の導入。
• 修正されたアインシュタイン方程式および流体方程式を解き、DM-DE摩擦モデル下での物質パワースペクトルと$S_8 = \sigma_8 (\Omega_m/0.3)^{0.5}$を計算。
• 宇宙シアリング、CMBレンズ効果、銀河クラスタリングを含む宇宙論的データを用いて、摩擦の強さと開始赤方偏移を制約。
• ベイズ的解析を実施し、DM-DE摩擦モデルが$\Lambda$CDMよりも約$3\sigma$の優位性を示すことを確認。
• 成長率$f\sigma_8(z)$の時間発展を予測し、6dFGS、SDSS MGS、BOSS DR12/16の観測と比較。
• イントリシックアライメントの変更、統合サックス＝ホルツ効果、ダークマターとバリオンの速度バイアスといった追加のシグナルを検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低赤方偏移におけるダークマターとダークエネルギーの摩擦が、$S_8$の矛盾を解消するために物質クラスタリングの振幅を抑制できるか？
• RQ2 摩擦の開始時刻—物質-ダークエネルギー等価に近い時期—が、宇宙的一致問題の自然な説明を提供するか？
• RQ3 DM-DE摩擦モデルは成長率$f\sigma_8(z)$にどのような影響を及ぼし、現在の大規模構造データと整合性があるか？
• RQ4 $S_8$以外の観測的シグナルは、DM-DE摩擦モデルを$\Lambda$CDMやバリオンフィードバック効果と区別するのに有効か？
• RQ5 将来のイントリシックアライメント、CMBレンズ効果との相互相関、潮汐ストリームの形状を用いた観測が、DM-DE摩擦の予測効果を検出できるか？

主な発見

• 宇宙シアリングからの低赤方偏移$S_8$測定に適合する際、DM-DE摩擦モデルは$\Lambda$CDMよりも約$3\sigma$の優位性を示す。
• モデルは非ゼロの摩擦係数を支持しており、相互作用が正確に物質-ダークエネルギー等価の赤方偏移（$z \sim 0.5$）で有効に働くことを示唆している。
• DM-DEモデルにおける$f\sigma_8(z)$の予測発展は、6dFGS、SDSS MGS、BOSS DR12/16の現在のデータと一致し、低赤方偏移で抑制が見られる。
• 低赤方偏移パワーの抑制は、観測された$S_8$の矛盾と整合的であり、同時に高赤方偏移のCMBおよびCMBレンズ効果データとの整合性を保っている。
• 異なる崩壊速度によるダークマターとバリオンのわずかな速度バイアスがモデルで予測されており、銀河クラスタリングや星の運動学から検証可能である。
• 将来の大規模構造とCMBレンズ効果の相互相関、イントリシックアライメント測定が、DM-DE摩擦シナリオの強力なテストを提供すると予想される。