[논문 리뷰] Alleviating both $H_0$ and $S_8$ tensions: early dark energy lifts the CMB-lockdown on ultralight axion

Gen Ye, Jun Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 28.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초기 어둠의 에너지(EDE)가 안티-데시타르(AdS) 단계를 가지면, 우주배경복사(CMB)가 초경량 아키온(ULAs)에 가해지는 제약 조건을 완화시켜, 10⁻²⁶ eV의 질량을 가진 아키온이 전체 물질의 6%를 차지할 수 있음을 제안한다. AdS-EDE 모형은 동시에 CMB, BAO, 초신성 데이터와도 충돌하지 않으면서도 H₀ 및 S₈ 갈등을 해소할 수 있다.

ABSTRACT

The existence of ultralight axion (ULA) with mass $\mathcal{O}( 10^{-26} ext{eV})$ is not favored by the CMB observations in the standard $Λ$CDM model. We show that the inclusion of early dark energy (EDE) will lift the CMB-lockdown on such ULA, and possibly other forms of dark matter beyond cold dark matter. By performing Monte Carlo Markov Chain analysis, it is found that, as opposed to $Λ$CDM, the AdS-EDE cosmology (with an Anti-de Sitter phase around recombination) now allows the existence of axion with mass $10^{-26}$ eV and predicts $6\%$ of the matter in our Universe to be such ULA, which can also help alleviating the $S_8$ tension in EDE.

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 모형에서의 H₀ 및 S₈ 갈등을 초기 어둠의 에너지(EDE)를 통해 해결하기 위해.
• 질량 ~10⁻²⁶ eV인 초경량 아키온(ULAs)이 EDE 존재 하에 실현 가능할 수 있는지 조사하기 위해.
• AdS 단계를 가진 EDE 모형에서 CMB에 의한 ULA 제약 조건이 어떻게 해소될 수 있는지 확인하기 위해.
• AdS-EDE 프레임워크 내에서 ULA가 우주론적 파rameter, 특히 H₀ 및 S₈에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 초기 필드 설정과 EDE 파rameter에 대해 ULA 탐지의 강건성(robustness)을 평가하기 위해.

제안 방법

• AdS-EDE+ULA 우주론적 모형의 파rameter 공간을 탐색하기 위해 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 분석을 사용한다.
• αₐdₛ로 매개화된 음의 곡률 항을 통해 초기 어둠의 에너지 포텐셜에 AdS 단계를 도입한다.
• 질량 mₐ ≈ 10⁻²⁶ eV인 스칼라 필드로 ULA를 모델링하고, 임의의 초기 기울기 각도 Θᵢ를 가지며, 포텐셜 V(Θ) ∝ mₐ²fₐ²(1 - cos Θ)에 따라 진화시킨다.
• Planck 2018 CMB, Pantheon 초신성, fsBAO 데이터와의 모델 적합도를 비교하기 위해 Δχ²를 사용하여 적합도를 평가한다.
• mₐ, Θᵢ, αₐdₛ를 독립적으로 변화시켜 ULA 분율 rₐ = Ωₐₓᵢₒₙ/Ωₘ 및 H₀, S₈에 대한 제약 조건의 강건성 테스트를 수행한다.
• 상태공간 부피 효과를 분석하여, αₐdₛ > 0에서 더 나은 적합도를 보일지라도, 이론적으로 αₐdₛ ≠ 0가 유리한지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ΛCDM에서 CMB 데이터에 의해 배제되는 초경량 아키온(ULAs)이 질량 ~10⁻²⁶ eV인 초기 어둠의 에너지가 AdS 단계를 가지면 실현 가능한가?
• RQ2 AdS-EDE 모형에 ULA를 포함시키면 CMB, BAO, 초신성 데이터와의 일치도가 악화되지 않으면서도 국소적 H₀ 및 S₈ 측정치와의 일치도가 향상되는가?
• RQ3 ULA 분율 rₐ는 초기 필드 설정(Θᵢ)과 질량(mₐ)에 어떻게 의존하며, EDE 파arameter의 변화에 대해 강건한가?
• RQ4 AdS 단계(αₐdₛ)는 더 높은 ULA 분율을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 95% 신뢰 수준에서 ULA 탐지에 필수적인가?
• RQ5 왜 EDE 메커니즘이 CMB에 의한 ULA 제약 조건을 해소하는가? 그리고 편미분 성장에서 ωₘ과 H₀ 간의 딜레마를 어떻게 분리하는가?

주요 결과

• AdS-EDE 모형은 mₐ ≈ 10⁻²⁶ eV일 때 전체 물질의 6%에 해당하는 ULA 분율을 허용하며, ΛCDM에서 존재하는 CMB-잠금 현상을 해소한다.
• AdS-EDE에 ULA를 포함시키면 국소적 H₀ = 73.2 ± 1.3 km/s/Mpc 및 S₈ = 0.755⁺⁰.⁰¹⁹₋₀.⁰²¹와의 일치도가 향상되어 두 갈등을 동시에 해결한다.
• ULA 분율 rₐ는 초기 기울기 각도 Θᵢ와 질량 mₐ의 변화에 대해 강건하지만, mₐ를 자유롭게 변형시키면 제약 조건이 약화된다.
• AdS 단계(αₐdₛ ≈ 3.79×10⁻⁴)는 허용 가능한 EDE 분율 fₑdₑ를 증가시켜 더 높은 ULA 분율을 가능하게 하지만, 95% 신뢰 수준에서 ULA 탐지에 필수적인 것은 아니다.
• αₐdₛ > 0에서 더 나은 적합도를 보일지라도, MCMC 체인은 상태공간 부피 효과로 인해 더 작은 αₐdₛ를 선호하여, 데이터로는 AdS 단계가 약하게만 암시된다.
• AdS 단계(αₐdₛ = 3.79×10⁻⁴)를 포함한 모형은 총 χ² = 3818.35를 기록하여, 그렇지 않은 경우(3819.09)보다 略적으로 더 나은 적합도를 보였지만, 이 개선은 파arameter 공간 부피 감소로 상쇄된다.