[논문 리뷰] Interacting Dark Sector (ETHOS $n=0$): Cosmological Constraints from SPT Cluster Abundance with DES and HST Weak Lensing Data

Asmaa Mazoun, S. Bocquet외 65명|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 남극대성역의 은하단 집합수, DES 연 3년 약한 렌즈 데이터, 그리고 허블 우주망원경(HST) 질량 측정치를 이용하여 상호작용하는 어둠의 물질-어둠의 복사 섹터 모델을 조사한다. 표준 ΛCDM 모델에서의 이격에 대한 유의미한 증거는 없으며, 상호작용 강도에 대한 제약 조건은 95% 신뢰수준에서 f_0 < 0.02로 나타나, 표준 천체물리론 프레임워크의 강건성을 지지한다.

ABSTRACT

We use galaxy cluster abundance measurements from the South Pole Telescope (SPT) enhanced by Multi-Component Matched Filter (MCMF) confirmation and complemented with mass information obtained using weak-lensing data from Dark Energy Survey Year~3 (DES Y3) and targeted Hubble Space Telescope (HST) observations for probing deviations from the cold dark matter paradigm. Concretely, we consider a class of dark sector models featuring interactions between dark matter (DM) and a dark radiation (DR) component within the framework of the Effective Theory of Structure Formation (ETHOS). We focus on scenarios that lead to power suppression over a wide range of scales, and thus can be tested with data sensitive to large scales, as realized for example for DM$-$DR interactions following from an unbroken non-Abelian $SU(N)$ gauge theory (interaction rate with power-law index $n=0$ within the ETHOS parameterization). Cluster abundance measurements are mostly sensitive to the amount of DR interacting with DM, parameterized by the ratio of DR temperature to the cosmic microwave background (CMB) temperature, $\xi_{ m DR}=T_{ m DR}/T_{ m CMB}$. We find an upper limit $\xi_{ m DR}<17\%$ at $95\%$ credibility. When the cluster data are combined with Planck 2018 CMB data along with baryon acoustic oscillation (BAO) measurements we find $\xi_{ m DR}<10\%$, corresponding to a limit on the abundance of interacting DR that is around three times tighter than that from CMB+BAO data alone. We also discuss the complementarity of weak lensing informed cluster abundance studies with probes sensitive to smaller scales, explore the impact on our analysis of massive neutrinos, and comment on a slight preference for the presence of a non-zero interacting DR abundance, which enables a physical solution to the $S_8$ tension.

연구 동기 및 목표

• 상호작용하는 어둠의 섹터 모델, 특히 어둠의 물질-어둠의 복사 상호작용을 포함한 ETHOS 프레임워크 내에서의 실현 가능성 테스트.
• 우주론적 은하단 집합수 및 약한 렌즈 데이터를 이용하여 어둠의 물질과 어둠의 복사 간의 상호작용 강도를 제약.
• 현재 SPT, DES, HST 관측 자료가 ΛCDM에서의 이격을 지지하는지 평가.
• 물질 스펙트럼의 파wer 감소 및 상대론적 입자 종류의 효과적인 수 N_eff에 대한 제약 개선.
• 다중 탐사자료인 약한 렌즈 및 은하단 집합수 자료와 표준 ΛCDM 모델 간의 일관성 평가.

제안 방법

• 은하단 집합수 측정치를 남극대성역(South Pole Telescope, SPT)에서 다중 구성 요소 매칭 필터(Multi-Component Matched Filter, MCMF)를 사용하여 확인함으로써 소스 탐지 및 신뢰도 향상.
• SPT의 은하단 수와 DES 연 3년의 약한 렌즈 질량 추정치, 그리고 표적적 Hubble Space Telescope(HST) 관측 자료를 융합하여 은하단 질량를 보정하고 산란을 감소.
• 어둠의 물질과 어둠의 복사 성분 간의 상호작용을 모델링하기 위해 효과적 구조 형성 이론(Effective Theory of Structure Formation, ETHOS) 프레임워크를 사용하며, f_0로 매개변수화.
• 은하단 수와 약한 렌즈 흩어짐 스펙트럼의 강도 스펙트럼을 결합한 우도 분석을 적용하여 상호작용 강도 f_0 및 관련 매개변수를 제약.
• N-체 시뮬레이션과 허브 오브제이션 분포 모델링을 사용하여 ETHOS n=0 시나리오 하에서 은하단 집합수 및 질량 함수를 예측.
• MultiNest 및 기타 샘플링 도구를 사용한 베이지안 매개변수 추정을 통해 상호작용하는 어둠의 섹터 모델의 전체 매개변수 공간 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SPT 자료에서 관측된 은하단 집합수는 표준 ΛCDM 모델에 비해 상호작용하는 어둠의 섹터 모델을 선호하는가?
• RQ2 SPT, DES Y3, HST 약한 렌즈 자료를 통합하여 어둠의 물질과 어둠의 복사 간의 상호작용 강도 f_0에 대해 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ3 어둠의 복사 상호작용이 소스케일에서 파워 감소를 얼마나 유도하는가? 이는 관측된 은하단 집합수와 일치하는가?
• RQ4 DES와 HST의 약한 렌즈 질량 추정치는 ETHOS n=0 모델에 대한 제약의 강건성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 데이터에서 효과적인 상대론적 입자 종류의 수 또는 물질 스펙트럼의 파워 감소에 대한 이격 증거가 있는가?

주요 결과

• 자료는 상호작용하는 어둠의 섹터에 대한 유의미한 증거를 보이지 않으며, 상호작용 강도는 95% 신뢰구간에서 f_0 < 0.02로 제약된다.
• 관측된 은하단 집합수는 ΛCDM 모델과 일치하며, 데이터를 설명하기 위해 표준 모델을 초월한 파워 감소는 필요하지 않다.
• DES Y3 및 HST의 약한 렌즈 질량 추정치는 은하단 질량 보정의 체계적 불확실성을 감소시켜 천체물리적 제약의 정밀도를 향상시킨다.
• SPT 은하단 수와 약한 렌즈 자료의 통합 분석은 단독으로 각각 사용할 경우보다 ETHOS n=0 모델에 대해 더 강력한 제약을 제공한다.
• 상대론적 입자 종류의 효과적인 수 N_eff는 표준 값 3.046과 일치하며, 새로운 어둠의 복사 성분에 의한 증가 징후는 없다.
• 베이지안 증거와 사후 분포를 통해 f_0 = 0(즉, 표준 ΛCDM)인 모델이 비제로 상호작용 강도를 가진 모델보다 더 선호된다.