[논문 리뷰] Interacting Dark Sectors in Anisotropic Universe: Observational Constraints and $H_{0}$ Tension

Hassan Amirhashchi, Anil Kumar Yadav외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 11.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 관측 Hubble 데이터, CMB, BAO, SNIa 및 $H_0$ 사전 정보를 사용하여 비등방성 Bianchi I 우주에서 상호작용하는 암흑 에너지와 암흑 물질을 조사한다. 상수 및 변화하는 결합 모델 모두가 상호작용이 미미한 ($\delta \approx 0$) $\Lambda$CDM를 선호하며, HST에서 얻은 높은 $H_0 \approx 73.9$ km/s/Mpc는 강한 결합이 필요 없이도 일관되며, 이 틀에서 $H_0$ 긴장 문제를 해결한다.

ABSTRACT

The present study reveals observational constraints on the coupling between dark components of anisotropic Bianchi type I universe. We assume interaction between dark matter and dark energy and split the continuity equation with inclusion of interaction term $Γ$. Two scenarios have been considered (i) when coupling between dark components is constant and (ii) when it is a function of redshift ($z$). Metropolis-Hasting algorithm has been used to perform Monte Carlo Markov Chain (MCMC) analysis by using observational Hubble data obtained from cosmic chronometric (CC) technique, cosmic microwave background (CMB) baryon acoustic oscillation (BAO), Pantheon compilation of Supernovae type Ia (SNIa), their joint combination and a Gaussian prior on the Hubble parameter $H_{0}$. It is obtained that the combination of all databases plus $H_{0}$ prior marginalized over a present dark energy density gives stringent constraints on the current value of coupling as $-0.001<δ<0.041$ in constant coupling model and $-0.042<δ<0.053$ in varying coupling model at 68\% confident level. In general, for both models, we found $ω^{X}\approx -1$ and $δ(δ_{0})\approx 0$ which indicate that still recent data favor uncoupled $Λ$CDM model. Our estimations show that in constant coupling model $(H_{0}=73.9^{+1.5}_{-0.95}, δ=0.023^{+0.017}_{-0.024})$ which naturally leads to consistent value of the Hubble constant. This result is interesting because the previous works show that such a high value of Hubble constant requires the significant value of coupling parameter $δ$. It has been also observed that in the constant coupling model, we do not find any disagreement between the estimated $H_{0}$ and those reported by Hubble space telescope (HST) and large scale structure (LSS) experiments.

연구 동기 및 목표

• 비등방성 Bianchi I 우주에서 암흑 에너지-암흑 물질 간 상호작용의 영향을 조사하기 위해.
• 암흑 성분 간의 상호작용이 우주론적 데이터에서 관측된 $H_0$ 긴장 문제를 완화시킬 수 있는지 테스트하기 위해.
• 우주 시계 측정값을 포함한 다양한 관측 데이터 세트를 사용하여 결합 매개변수 $\delta$를 제약하기 위해.
• 현재의 우주론적 관측치와의 호환성 측면에서 상수 및 적색편이 의존성 결합 시나리오를 비교하기 위해.
• 우주의 기하학적 비등방성이 상호작용하는 암흑 부문 모델의 타당성에 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 다른 공간 축을 따라 비등방성 팽창 속도를 允허하는 Bianchi I 계량을 사용하여 우주를 모델링하기 위해.
• 암흑 물질과 암흑 에너지의 연속성 방정식에 상호작용 항 $\Gamma$ 를 도입하고, 두 가지 시나리오를 고려: 상수 $\delta$ 및 적색편이 의존성 $\delta_0(1+z)$.
• 모델 매개변수를 제약하기 위해 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 샘플링을 위한 멜로프리스-해스팅스 알고리즘을 적용하기 위해.
• 관측 데이터 조합: 허블 파라미터 측정값(OHD), CMB, BAO, SNIa(Pantheon), $H_0$에 대한 가우시안 사전 정보.
• 모델 적합도 평가 및 모든 매개변수에 대한 68% 신뢰구간 계산을 위해 $\chi^2$ 통계량을 사용하기 위해.
• 모든 데이터 세트를 종합하여 $H_0$, $\omega^X$, $\Omega^m$, $\delta$, $\delta_0$의 사후 분포를 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상수 결합이 비등방성 Bianchi I 우주에서 암흑 물질과 암흑 에너지 간의 $H_0$ 긴장 문제를 완화시킬 수 있는가?
• RQ2 적색편이 의존성 결합은 고-$H_0$ 측정치와 기타 우주론적 데이터와 더 잘 일치하는가?
• RQ3 비등방성 모델에서 상호작용 강도 $\delta$ 및 암흑 에너지 상태방정식 $\omega^X$ 에 대한 관측 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 비등방성의 포함 여부가 $\Lambda$CDM 모델과 상호작용하는 암흑 에너지 모델 간의 선호도에 영향을 미치는가?
• RQ5 HST에서 얻은 높은 $H_0 \approx 73.9$ km/s/Mpc 는 암흑 부문에서 최소한의 상호작용과 일관되는가?

주요 결과

• 상수 결합 모델은 $H_0 = 73.9^{+1.5}_{-0.95}$ km/s/Mpc 와 $\delta = 0.023^{+0.017}_{-0.024}$ 를 도출하며, 1$\sigma$ 범위에서 HST 측정치와 일치한다.
• 변화하는 결합 모델은 $H_0 = 69.73 \pm 0.67$ km/s/Mpc 를 제공하며, Planck 및 LSS 데이터와 일치하지만 $H_0$ 긴장 문제를 해결하지 못한다.
• 관측 데이터는 $\omega^X \approx -1$ 과 $\delta \approx 0$ 를 강하게 선호하며, 상호작용이 없는 $\Lambda$CDM 모델이 선호됨을 시사한다.
• 상수 결합 모델에서 결합 매개변수의 68% 신뢰구간은 $-0.001 < \delta < 0.041$ 이고, 변화하는 결합 모델에서는 $-0.042 < \delta_0 < 0.053$ 이다.
• 대부분의 데이터 조합에서 $H_0$ 와 $\omega^X$ 사이에 음의 상관관계가 관측되며, R19 사전 정보를 포함할 경우 $\delta_0$ 와 $\omega^X$ 사이에 약한 음의 상관관계가 있다.
• R19를 포함한 종합 데이터 세트는 $\Omega^m = 0.3142^{+0.0076}_{-0.012}$ 와 $\Omega^X = 0.686^{+0.012}_{-0.0076}$ 를 도출하며, Planck 2018 결과와 일치한다.