[논문 리뷰] Cosmological perturbations in the interacting dark sector: Observational constraints and predictions

Joseph P. Johnson, Archana Sangwan외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 24.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 어두운 에너지와 어두운 물질을 위한 상호작용 필드 이론 모델을 제안하며, 허블 파라미터, BAO, SN Ia, HIIG의 네 가지 천체물리 데이터 세트에 대해 비상호작용 모델보다 더 잘 맞는다. 이 모델은 최적의 허블 상수 H₀ = 69.9⁺⁰.⁴⁶₋₁.⁰² km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출하여 허블 긴장 문제를 완화시키며, 특히 z < 20, 특히 z < 5에서 메트릭 편미분에 상당한 차이를 예측하여 향후 임무에 대한 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We consider an interacting field theory model that describes the interaction between dark energy - dark matter interaction. Only for a specific interaction term, this interacting field theory description has an equivalent interacting fluid description. For inverse power law potentials and linear interaction function, we show that the interacting dark sector model is consistent with $ extit{four cosmological data sets}$ -- Hubble parameter measurements (Hz), Baryonic Acoustic Oscillation data (BAO), Supernova Type Ia data (SN), and High redshift HII galaxy measurements (HIIG). More specifically, these data sets prefer a negative value of interaction strength in the dark sector and lead to the best-fit value of Hubble constant $H_0 = 69.9^{0.46}_{1.02}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. Thus, the interacting field theory model $ extit{alleviates the Hubble tension}$ between Planck and these four cosmological probes. Having established that this interacting field theory model is consistent with cosmological observations, we obtain quantifying tools to distinguish between the interacting and non-interacting dark sector scenarios. We focus on the variation of the scalar metric perturbed quantities as a function of redshift related to structure formation, weak gravitational lensing, and the integrated Sachs-Wolfe effect. We show that the difference in the evolution becomes significant for $z < 20$, for all length scales, and the difference peaks at smaller redshift values $z < 5$. We then discuss the implications of our results for the upcoming missions.

연구 동기 및 목표

• 현재 천체물리 관측과 일치하는 어두운 에너지와 어두운 물질을 위한 상호작용 필드 이론 모델을 개발하는 것.
• 이 모델이 플랑크와 후기 천체물리 관측 간의 허블 긴장을 해결할 수 있는지 테스트하는 것.
• 상호작용하는 영역과 비상호작용하는 영역 간의 스칼라 메트릭 편미분에서의 관측 가능한 차이를 식별하는 것.
• 특히 구조 형성과 약한 렌즈 효과에 관해 향후 실험에 대해 정량적 예측을 제공하는 것.
• 네 가지 독립적인 천체물리 데이터 세트를 사용하여 상호작용 필드 이론 모델의 타당성을 평가하는 것.

제안 방법

• 어두운 에너지와 어두운 물질 필드 간의 선형 상호작용 함수와 역거듭제곱 법칙 잠재 에너지 함수를 가진 상호작용 필드 이론 모델을 수립하는 것.
• 특정 상호작용 항에 대해서만 등가 유체 기술을 유도하여 표준 천체물리 프레임워크와의 비교를 가능하게 하는 것.
• 허블 파라미터(H(z)), BAO, SN Ia, HIIG의 천체물리 데이터 세트를 사용하여 최대우도 분석을 통해 모델 매개변수를 제약하는 것.
• 모든 스케일에서 적색편이에 따라 상호작용 모델에서 스칼라 메트릭 편미분의 진화를 계산하는 것. 특히 구조 형성과 약한 렌즈 효과에 초점을 맞추는 것.
• 상호작용 모델과 비상호작용 모델 간의 편미분 진화를 비교하여 관측 가능한 차이를 식별하는 것.
• 편미분 차이의 적색편이 의존성을 분석하여, z < 5에서 최대 민감도를 보이며, z < 20에서 상당한 이격이 발생하는 것을 확인하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 영역에 대한 상호작용 필드 이론 모델이 허블 파라미터, BAO, SN Ia, HIIG 데이터를 일관되게 설명할 수 있는가?
• RQ2 비상호작용 모델에 비해 상호작용 어두운 영역 모델이 허블 긴장을 완화시키는가?
• RQ3 어두운 영역 상호작용 모델에서 메트릭 편미분이 비상호작용 사례와 유의미하게 다를 적색편이 범위는 어디인가?
• RQ4 약한 중력 렌즈와 통합 사크스-울프 효과에서 상호작용 어두운 영역의 관측 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ5 향후 임무는 편미분 진화를 기반으로 하여 상호작용 및 비상호작용 어두운 영역 시나리오를 어떻게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 상호작용 필드 이론 모델은 H(z), BAO, SN Ia, HIIG의 네 가지 천체물리 데이터 세트와 일관된다.
• 데이터는 음의 상호작용 강도를 선호하며, 이는 최적의 허블 상수 H₀ = 69.9⁺⁰.⁴⁶₋₁.⁰² km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출하여 허블 긴장을 완화시킨다.
• 모든 길이 척도에서 z < 20에서 상호작용 모델과 비상호작용 모델 간의 스칼라 메트릭 편미분에 상당한 차이가 발생한다.
• 편미분 진화의 최대 차이는 z < 5에서 발생하며, 이 범위는 관측적 테스트의 핵심 타겟이 된다.
• 이 모델은 구조 형성, 약한 렌즈 효과, 통합 사크스-울프 효과에 대해 정량적 예측을 제공하여, 향후 상호작용 및 비상호작용 어두운 영역 간의 식별 가능성을 높인다.
• 결과적으로, 향후 천체물리 임무는 z < 20 범위, 특히 z < 5 근처에서 편미분 진화를 측정함으로써 이 모델을 검증할 수 있다.