[논문 리뷰] Dark energy and matter interacting scenario to relieve $H_0$ and $S_8$ tensions

Li-Yang Gao, She-Sheng Xue외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 26.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양자 중력 이론에서의 점근적 안정성에 기반하여 진공 에너지가 물질과 복사와 상호작용하는 새로운 $\tilde{\Lambda}$CDM 모델을 제안한다. CMB+BAO+SN+H₀+S₈ 데이터를 사용하여, 이 모델은 $H_0$ 갈등을 0.75σ로 감소시키고 $S_8$ 갈등을 2.09σ로 줄이며, 최적 적합 파라미터로는 $H_0 = 71.9 \pm 1.1~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 및 $S_8 = 0.8071 \pm 0.0099$ 를 얻는다. $H_0$와 $S_8$ 데이터를 포함할 경우 AIC 기준으로 $\Lambda$CDM 모델보다 더 유리하다.

ABSTRACT

We consider a new cosmological model (called $ ildeΛ$CDM) in which the vacuum energy interacts with matter and radiation, and test this model using the current cosmological observations. Using the CMB+BAO+SN (CBS) dataset to constrain the model, we find that $H_0$ and $S_8$ tensions are relieved to $2.87σ$ and $2.77σ$, respectively. However, in this case, the $ ildeΛ$CDM model is not favored by the data, compared with $Λ$CDM. We find that when the $H_0$ and $S_8$ data are added to the data combination, the situation is significantly improved. In the CBS+$H_0$ case, the model relieves the $H_0$ tension to $0.47σ$, and the model is favored over $Λ$CDM. In the CBS+$H_0$+$S_8$ case, we obtain a synthetically best situation, in which the $H_0$ and $S_8$ tensions are relieved to $0.72σ$ and $2.11σ$, respectively. In this case, the model is most favored by the data. Therefore, this cosmological model can greatly relieve the $H_0$ tension and simultaneously effectively alleviate the $S_8$ tension.

연구 동기 및 목표

• 수정된 $\lambda$CDM 모델을 통해 천체물리학에서 지속적인 $H_0$ 및 $S_8$ 갈등을 해결하고자 한다.
• 진공 에너지가 물질과 복사와 상호작용할 경우 이 두 갈등을 동시에 완화할 수 있는지 테스트하고자 한다.
• 정보 기준인 AIC를 사용하여 표준 $\Lambda$CDM 모델 대비 모델의 통계적 선호도를 평가하고자 한다.
• 직접 $H_0$ 및 $S_8$ 측정치를 포함할 경우 모델 피팅과 갈등 감소에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
• 전체 $\psi$CDM 모델의 성능을 단순화된 형태와 다른 상호작용하는 어두운 에너지 모델과 비교하고자 한다.

제안 방법

• 모델은 시간에 따라 변화하는 진공 에너지를 도입하여 물질과 복사와 상호작용하며, 일반화된 에너지-운동량 보존 법칙을 만족한다: $(T^{\mu\nu}_{\Lambda} + T^{\mu\nu}_{M})_{;\nu} = 0$.
• 상호작용은 점근적 안정성과 양자 중력 이론에서의 입자 생성에 기반하여 유도되며, 어두운 에너지와 물질 간의 에너지 흐름이 보존되지 않음을 의미한다.
• 우주론적 제약 조건은 CMB(Planck 2018), BAO, SN(Pantheon) 데이터 조합(CBS)을 사용하여 유도되며, 추가로 $H_0$ 및 $S_8$ 사전 확률이 포함된다.
• 모델은 파arameter 공간 탐색과 사후 분포 계산을 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 사용하여 테스트된다.
• 모델 비교는 아카이케 정보 기준(AIC)을 사용하며, $\Delta$AIC는 $\psi$CDM 모델이 $\Lambda$CDM 모델보다 더 유리함을 나타낸다.
• $H_0$ 및 $S_8$ 갈등은 각각 모델의 최적 적합 값과 Planck 2018, SH0ES 결과를 비교하여 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진공 에너지가 물질과 상호작용하는 천체모형이 $\Lambda$CDM에서 관측된 $H_0$ 갈등을 유의미하게 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 직접 $H_0$ 및 $S_8$ 데이터를 포함할 경우 CMB+BAO+SN만 사용할 때보다 모델의 피팅 성능과 갈등 완화에 기여하는가?
• RQ3 $\psi$CDM 모델은 $\Lambda$(t)CDM 및 단순화된 $\psi$CDM와 같은 다른 상호작용 어두운 에너지 모델과 비교해 복잡한 천체물리적 갈등을 어떻게 해결하는가?
• RQ4 직접 $H_0$ 및 $S_8$ 데이터를 분석에 포함할 경우 $\psi$CDM 모델이 $\Lambda$CDM 모델보다 통계적으로 유리한가?
• RQ5 모델은 $H_0$ 갈등을 악화시키지 않으면서 $S_8$ 갈등을 어느 정도 완화하는가?

주요 결과

• CMB+BAO+SN(CBS) 데이터만으로 제약을 가할 경우 $\psi$CDM 모델은 $H_0$ 갈등을 $1.28\sigma$로 감소시키고 $S_8$ 갈등을 $2.67\sigma$로 줄인다.
• H₀ 데이터를 추가할 경우(CBS+$H_0$), $H_0$ 갈등은 $0.53\sigma$로 감소하며, $\Delta$AIC = -1.87로 $\Lambda$CDM 모델보다 모델이 유리하다.
• $S_8$ 데이터만 추가할 경우(CBS+$S_8$), $H_0$ 갈등은 $2.38\sigma$로 악화되고 $\Delta$AIC는 4.24로 증가하여 모델이 불리한 것으로 나타난다.
• 모든 데이터(CBS+$H_0$+$S_8$)를 통합할 경우 최적의 전체 성능을 기록한다: $H_0 = 71.9 \pm 1.1~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 및 $S_8 = 0.8071 \pm 0.0099$, 갈등은 각각 $0.75\sigma$ 및 $2.09\sigma$로 감소한다.
• 이 경우 모델은 데이터에 가장 유리하게 적합되며, $\Delta$AIC = -2.86로 $\Lambda$CDM 모델보다 더 뛰어난 피팅 성능을 보인다.
• 이 모델은 단순화된 $\psi$CDM 및 $\Lambda$(t)CDM 모델보다 $H_0$ 및 $S_8$ 갈등을 동시에 감소시키며 통계적 선호도를 유지하는 데 뛰어난 성능을 보인다.