[논문 리뷰] Revisiting cosmological diffusion models in Unimodular Gravity and the $H_0$ tension

Francisco X. Linares Cedeño, Ulises Nucamendi|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 21.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 암흑물질과 암흑에너지가 비중력적으로 상호작용하는 유니모듈라 중력에서 우주론적 확산 모델을 제안하며, 암흑에너지가 변하는 우주상수로 모델링된다. 복사 지배 시대부터 오늘에 이르는 전체 진화를 해결하고 플랑크 2018, SH0ES, Pantheon, H0LICOW 데이터로 매개변수를 제약한 결과, 이 모델들은 $H_0$ 긴장 문제를 완화하면서도 먼 미래에 영원하고 비특이적인 가속을 예측한다.

ABSTRACT

Within the framework of Unimodular Gravity, we consider non-gravitational interactions between dark matter and dark energy. Particularly, we describe such interactions in the dark sector by considering diffusion models that couple the cold dark matter fluid with the dark energy component, where the latter has the form of a variable cosmological "constant". For the first time, we solve the cosmological evolution of these models from the radiation dominated era to the present day. We show how the diffusion processes take place by analyzing the cosmological evolution of the energy density parameters $\\Omega_{cdm}$ and $\\Omega_{\\Lambda}$, as well as that of the Hubble parameter. Finally, we perform the statistical analysis, imposing constraints on the diffusion parameters, by using data from Planck 2018, SH0ES, Pantheon, and H0LICOW collaborations. We found that cosmological diffusion models in the framework of Unimodular Gravity can ease the current tension in the value of $H_0$. We also show that the very far future cosmological evolution for all diffusion models is eternally accelerating without future singularities.

연구 동기 및 목표

• 유니모듈라 중력에서 암흑물질과 암흑에너지 간의 비중력적 상호작용이 $H_0$ 긴장 문제를 해결할 수 있는지 조사하기.
• 냉각 암흑물질과 변하는 우주상수를 연결하는 확산 과정을 사용하여 어둠의 세트를 모델링하기.
• 복사 지배 시대부터 현재까지의 전체 우주론적 진화 분석을 수행하고, 향후 渐近적 행동을 포함하기.
• 플랑크 2018, SH0ES, Pantheon, H0LICOW 데이터를 통합하여 확산 매개변수를 제약하기.
• 이러한 확산 모델의 장기적 진화에서 미래의 특이성이 존재하는지 평가하기.

제안 방법

• 고정된 행렬식 조건 $\sqrt{-g} = 1$를 가진 유니모듈라 중력 프레임워크를 수립하여 수정된 아인슈타인 텐서를 도출하고, 우주상수를 통합 상수로서 도출한다.
• 냉각 암흑물질과 변하는 암흑에너지 성분 간의 비중력 상호작용 항 $Q$를 포함하는 확산 모델을 도입하여 두 성분 간의 에너지 이행을 허용한다.
• 유니모듈라 중력 프레임워크 하에서 상호작용하는 어둠의 세트의 효과적 에너지 밀도와 압력을 포함한 전체 프리드만 방정식 세트를 유도한다.
• 복사 지배 시대에서부터 현재까지의 우주론적 진화 방정식을 수치적으로 해결하여 $\Omega_{\text{cdm}}$, $\Omega_{\Lambda}$, 허블 파라미터 $H(t)$ 를 추적한다.
• 플랑크 2018 CMB, SH0ES 지역 $H_0$ 측정치, Pantheon SNe Ia, H0LICOW 시간 지연 데이터를 사용한 베이지안 통계 분석을 통해 확산 매개변수를 제약한다.
• 스케일 인자 $a(t)$ 의 분석적 만기 해를 유도하고 지오데식 완전성과 잠재적 특이성을 점검함으로써 향후 渐近적 행동을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유니모듈라 중력에서의 확산 모델이 초기 및 후기 우주론적 탐측 간의 $H_0$ 긴장 문제를 줄일 수 있는가?
• RQ2 이 상호작용 모델에서 에너지 밀도 매개변수 $\Omega_{\text{cdm}}$ 와 $\Omega_{\Lambda}$ 는 우주의 역사 전반에 걸쳐 어떻게 진화하는가?
• RQ3 이러한 확산 모델은 미래의 특이성을 초래하는가, 아니면 병변 없이 영원히 가속되는 우주 진화를 초래하는가?
• RQ4 CMB, SNe Ia, $H_0$, 시간 지연 데이터를 통합하여 유도된 확산 매개변수의 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 먼 향후에 효과적 우주상수 $\Lambda(t)$ 는 어떻게 행동하는가, 유한하고 비특이적인가?

주요 결과

• 유니모듈라 중력에서의 확산 모델은 $H_0$ 긴장 문제를 성공적으로 완화하며, 확산 매개변수의 제약 조건이 통합 데이터세트에 대해 타당한 피팅임을 나타낸다.
• 에너지 밀도 매개변수 $\Omega_{\text{cdm}}$ 와 $\Omega_{\Lambda}$ 는 확산 과정을 통해 동적으로 진화하며, 암흑물질에서의 에너지 이행으로 인해 후기 시대에 $\Omega_{\Lambda}$ 가 증가한다.
• 허블 파라미터 $H(t)$ 는 우주론적 진화 전반에서 유한하고 비특이적이며, 모든 확산 모델에서 향후 특이성의 증거가 없다.
• 스케일 인자 $a(t)$ 의 분석적 만기 해는 $t \to t_s$ 에서도 유한하고 잘 행동하며, 빅 립, 갑작스러운, 일반화된 특이성이 없는 영원한 가속을 나타낸다.
• 효과적 우주상수 $\Lambda(t) = 3H^2(t) + 2\dot{H}(t)$ 는 먼 미래에서도 유한하고 비특이적이며, 지오데식 완전성과 $Q$-특이성의 부재를 확인한다.
• 모든 모델은 장기적 행동에서 $\Lambda$CDM와 구별할 수 없으며, 효과적 $\Lambda(t)$ 가 비특이적인 영원한 가속을 이끄는 것으로 예측한다.