[논문 리뷰] Constraints on interacting dark energy revisited: implications for the Hubble tension

Gabriel A. Hoerning, Ricardo G. Landim외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 10.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 11

한 줄 요약

논문은 허블율 섭동을 포함한 보정된 섭동 방정식을 갖는 현상학적 상호 작용 다크 에너지(IDE) 모델을 재검토하고, Planck 2018, Pantheon+ SNIa, BAO, RSD 데이터 및 SH0ES에 대해 대면 비교하여 ΛCDM에 비해 강한 선호를 보이지 않는다는 결론을 얻었다; 일부 모델은 허블 긴장을 부분적으로 완화하나 모든 데이터를 결합했을 때는 여전히 부합하지 않는다.

ABSTRACT

We revisit a class of coupled dark energy models where dark energy interacts with dark matter via phenomenological energy exchange terms. We include the perturbation of the Hubble rate in the interaction term, which was absent in previous works. We also consider more recent data sets such as cosmic microwave background (CMB) anisotropies from ext{Planck} 2018, type I-a supernovae (SNIa) measurements from Pantheon+ and data from baryon acoustic oscillations (BAO), and redshift space distortions (RSD). One of the models presents a strong incompatibility when different cosmological datasets are used. We analyze the influence of the SH0ES Cepheid host distances on the results and, although for one model the discrepancy of $H_0$ is reduced to $3.2σ$ when compared to the value obtained by the extit{Planck} collaboration and $3.6σ$ when compared to the SH0ES team, joint analysis is incompatible. Including BAO with RSD shows incompatibility with SH0ES for all models considered here. We perform a model comparison and although there is a preference for interacting dark energy over $Λ$CDM for all the models for joint analysis CMB+BAO+RSD+SNIa, most of the 2D contours do not overlap. We conclude that the models of interactions in the dark sector considered in this paper are not flexible enough to fit all the cosmological data including values of $H_0$ from SH0ES in a statistically acceptable way. Therefore, the addition of one extra degree of freedom (i.e. the coupling between dark matter and dark matter) does not help enough to alleviate the already existing tension in the vanilla $Λ$CDM, suggesting that the models would need to be modified to include further flexibility of predictions to help elucidate this issue.

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 긴장에 대한 해결책으로 어두운 부문 간 상호작용 탐색의 동기를 제시한다.
• IDE 모델에서 섭동의 보정을 게이지 불변성을 필요로 하는 δH 항을 포함함으로써 게이지 일관성 있는 섭동 보정들을 도입한다.
• 업데이트된 데이터셋(Planck 2018, Pantheon+, BAO, RSD)으로 세 가지 IDE 모델을 제약하고 SH0ES H0와의 호환성을 평가한다.
• 베이지안 증거와 χ² 지표를 이용해 ΛCDM과의 모델 비교를 수행한다.

제안 방법

• Q = H(λ1 ρdm + λ2 ρde)를 갖는 IDE 모델 계열을 채택하고 배경 진화와 섭동 진화를 연구한다.
• 게이지 불변성에 의해 필요한 δH 항을 포함시켜 섭동 방정식을 보정한다.
• MCMC 분석을 위해 Modified CLASS와 PLINY를 사용하고 Nested Sampling으로 매개변수 사후분포와 베이지안 증거를 얻는다.
• Planck 2018 CMB, Pantheon+ SNIa, BAO, RSD 데이터를 활용하고, 일부 분석은 SH0ES H0 앵커를 포함한다.

Figure 1: 2-D contours (68% and 95% C.L.) of selected cosmological parameters for Model I, using different combinations of datasets. The inclusion of datasets other than CMB improves significantly the constraints. The different contours, however, do not superimpose and the degeneracy between $\Omega

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Q ∝ H(ρdm, ρde)인 IDE 모델이 결합된 우주론 데이터에 대해 ΛCDM과 같은 정도로 적합한가?
• RQ2 허블 율의 섭동을 포함하는 것이 IDE 결합과 도출된 H0에 대한 제약에 영향을 주는가?
• RQ3 모든 데이터(CMB, BAO, RSD, SNIa)를 결합할 때 IDE 모델이 허블 긴장을 완화시킬 수 있는가?
• RQ4 가장 최근 데이터에 비추어 IDE가 ΛCDM 대비 통계적으로 우선하는가?
• RQ5 저-적색편향 프로브에 비추어 SH0ES H0 측정치와 비교할 때 IDE 모델의 적합성은 얼마나 되는가?

주요 결과

• 하나의 IDE 모델(Model III)이 H0 긴장을 부분적으로 최선으로 완화하지만 모든 데이터를 결합하면 여전히 불일치를 보인다.
• 섭동 방정식에 δH를 포함시키면 결합 상수에 대한 제약이 강화되고 매개변수 간의 축적이 달라진다.
• CMB+BAO+SNIa+RSD를 함께 분석하면 어떤 IDE 모델에서도 모든 데이터 집합의 2D 등치를 겹치지 않아 SH0ES H0와의 긴장을 남긴다.
• 베이지안 증거는 IDE가 ΛCDM에 강하게 우선하지 않는다는 것을 보여주며(|Δχ²| < 1) 모든 모델에서 CMB+BAO+SNIa+RSD를 사용했다.
• Model III의 경우 공동 데이터에서 H0가 68.11^{+0.21}_{-0.22} km/s/Mpc로 바뀌며 SH0ES와의 긴장을 완전히 없애지는 못하더라도 감소시킨다(4.6σ 대 SH0ES).
• SH0ES 앵커는 모든 모델에 대해 저적색 및 고적색 데이터를 잇는 겹침을 줄여 결합된 Dark Energy 프레임워크에서의 지속적 긴장을 시사한다.

Figure 2: 2-D contours (68% and 95% C.L.) of selected cosmological parameters for Model II, using different combinations of datasets. Contrary to Model I, the degeneracies between some cosmological parameters are broken by the combination of datasets. The contours of all datasets (but SH0ES) are ove