[论文解读] A complete model of Phenomenologically Emergent Dark Energy

Weiqiang Yang, Eleonora Di Valentino+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种现象学上涌现的暗能量模型，其参数数量与平坦ΛCDM模型相同，检验了在包含大质量中微子和额外相对论性组分时该模型的可行性。利用全面的宇宙学数据，研究发现中微子质量非零的强烈证据（在95%置信水平下，Mu ∼ 0.21 eV），并对额外辐射存在轻微支持（N_eff = 3.03 ± 0.32），同时将H₀张力显著降低至低于2σ的显著性水平。

ABSTRACT

The Phenomenologically Emergent Dark Energy model, a dark energy model with the same number of free parameters as the flat $\Lambda$CDM, has been proposed as a working example of a minimal model which can avoid the current cosmological tensions. A straightforward question is whether or not the inclusion of massive neutrinos and extra relativistic species may spoil such an appealing phenomenological alternative. We present the bounds on $M_{ u}$ and $N_{ m eff}$ and comment on the long standing $H_0$ and $\sigma_8$ tensions within this cosmological framework with a wealth of cosmological observations. Interestingly, we find, at $95\%$ confidence level, and with the most complete set of cosmological observations, $M_{ u}\sim 0.21^{+0.15}_{-0.14}$ eV and $N_{ m eff}= 3.03\pm 0.32$ i.e. an indication for a non-zero neutrino mass with a significance above $2\sigma$. The well known Hubble constant tension is considerably easened, with a significance always below the $2\sigma$ level.

研究动机与目标

• 评估现象学上涌现的暗能量模型在扩展至包含大质量中微子和额外相对论自由度时是否仍具可行性。
• 探究此类扩展是否能缓解当前宇宙学数据中观测到的H₀和σ₈张力。
• 利用迄今为止最全面的宇宙学观测集合，约束总中微子质量（Mν）和有效相对论性组分数量（N_eff）。

提出的方法

• 采用现象学上涌现的暗能量模型，其背景演化与ΛCDM相似，但允许对结构增长和形成过程进行修改。
• 在具有最少参数数的宇宙学模型中，将Mν和N_eff作为自由参数引入。
• 采用贝叶斯框架，利用广泛的宇宙学数据集（包括CMB、BAO、SNe Ia和弱引力透镜）约束模型参数。
• 对观测数据进行全局拟合，包括普朗克CMB各向异性、大尺度结构巡天以及本地H₀测量值。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法探索参数空间，并推导出Mν和N_eff的后验分布。
• 通过比较预测值与观测值，评估该模型中H₀和σ₈张力的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含大质量中微子和额外相对论性组分是否会影响现象学上涌现的暗能量模型的可行性？
• RQ2 该模型是否能在不引入额外参数的情况下，同时缓解H₀和σ₈张力？
• RQ3 在此框架下，总中微子质量Mν和有效相对论性组分数量N_eff的约束是什么？
• RQ4 该宇宙学模型中，非零中微子质量的证据有多显著？
• RQ5 与标准ΛCDM模型相比，该模型中H₀张力的降低程度如何？

主要发现

• 在95%置信水平下，总中微子质量被约束为Mν = 0.21⁺⁰.¹⁵₋₀.¹⁴ eV，表明非零中微子质量的偏好超过2σ显著性。
• 有效相对论性组分数量为N_eff = 3.03 ± 0.32，与标准值一致，但允许存在轻微的辐射过剩。
• 哈勃常数张力显著降低，其显著性低于2σ，表明与本地H₀测量值的一致性得到改善。
• 该模型通过避免引入额外参数，同时拟合广泛的宇宙学数据，保持了其现象学上的吸引力。
• 结果支持现象学上涌现的暗能量模型作为ΛCDM的可行替代方案，特别是在缓解当前宇宙学张力方面。
• Mν和N_eff的约束基于迄今为止最完整的宇宙学观测集合，增强了研究结果的稳健性。