[논문 리뷰] Early dark energy induced by non-linear electrodynamics

H. B. Benaoum, Luz Ángela García외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 12.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비선형 전자기역학(NLED)에 의해 생성된 초기 어두운 에너지 모델을 제안한다. 여기서 맥스웰 전자기역학에서의 이탈—비제로인 매개변수 β로 정량화된 것—은 초기 우주에서 일시적인 어두운 에너지 성분을 유도한다. 이 모델은 허블 및 σ₈ 갈등을 완화하며, H₀ = 70.2 ± 0.9 km/s/Mpc 및 σ₈ = 0.798 ± 0.007을 예측하여 초기 및 후기 관측과 일치한다.

ABSTRACT

In this work, we introduce a parametrization of early dark energy that mimics radiation at early times and governs the present acceleration of the Universe. We show that such parametrization models non-linear electrodynamics in the early Universe and investigate the cosmological viability of the model. In our scenario, the early dark energy is encoded in the non-linearity of the electromagnetic fields through a parameter $β$ that changes the Lagrangian of the system, and the parameters $γ_s$ and $α$, that define the departure from the standard model constant equation of state. We use a Bayesian method and the modular software extsc{CosmoSIS} to find the best values for the model's free parameters with precomputed likelihoods from Planck 2018, primordial nucleosynthesis data, inferred distances from different wide galaxy surveys and luminosity distances of SNIa from Pantheon and SH0ES, such that $γ_s =$ 0.468 $\pm$ 0.026 and $α=$ -0.947 $\pm$ 0.032, as opposed to $Λ$CDM where $γ_s = β=$ 0 and there is no equivalence for the $α$ parameter. Our results predict an earlier formation of the structure and a shorter age of the Universe compared with the canonical cosmological model. One of the main findings of our work is that this kind of dark energy alleviates the ongoing tensions in cosmology, the Hubble tension and the so-called $σ_8$ tension, which predicted values by our model are H$_o =$ 70.2 $\pm$ 0.9 km/s/Mpc and $σ_8 =$ 0.798 $\pm$ 0.007. The reported values lie between the inferred values inferred from early and late (local) Universe observations. Future observations will shed light on the nature of the dark energy, its impact on the structure formation, and its dynamics.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 허블 및 σ₈ 갈등을 해소하기 위해 동적인 초기 어두운 에너지 성분을 도입함으로써.
• 비선형 전자기역학(NLED)이 초기 우주에서 자연스럽게 초기 어두운 에너지를 생성할 수 있는지 탐구함으로써.
• NLED 프레임워크에서 유도된 현상론적 초기 어두운 에너지 모델의 천체물리학적 타당성을 시험함으로써.
• 플랑크 2018, BBN, BAO, SNIa 및 국지적 거리 측정을 포함한 광범위한 천체물리학 데이터 세트를 사용하여 모델 매개변수를 제약함으로써.
• ΛCDM 모델과 비교하여, 이 모델이 구조 형성 및 우주의 팽창 역사에 어떤 영향을 미치는지 평가함으로써.

제안 방법

• 고적색도에서 복사처럼 행동하고 후기 팽창을 이끄는 초기 어두운 에너지의 일반화된 매개변수화를 제안함으로써.
• 비선형 전자기역학에 의해 기인하는 초기 어두운 에너지를 모델링하며, 비선형성 매개변수 β로 수정된 라그랑지안을 사용하고, γₛ 및 α와 연관시킴으로써.
• CosmoSIS 모듈러 소프트웨어를 사용한 베이지안 추론을 통해 플랑크 2018, BBN, BAO, Pantheon SNIa 및 SH0ES의 사전 계산된 우도에 모델을 적합함으로써.
• MCMC 샘플링을 통해 γₛ, α, Ω_de,o 및 β의 제약을 도출하며, β는 맥스웰 전자기역학에서의 이탈 정도를 정량화함으로써.
• R_CMB, H₀, σ₈ 및 S₈와 같은 핵심 천체물리학 관측량을 계산하여 관측과의 일치성을 시험함으로써.
• 특히 물질-복사 평형 및 구조 형성의 시기 측면에서 ΛCDM와의 예측을 비교함으로써.

Figure 1: Evolution of the energy densities $\Omega(a)$ for radiation, matter and dark energy for $\gamma_{s}=10^{-3}$ and $\alpha=0.25$ . Here $\Omega_{r,o}=10^{-4}$ , $\Omega_{m,o}=0.3$ and $\Omega_{de,o}=1-\Omega_{m,o}-\Omega_{r,o}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 전자기역학이 현재의 천체물리학적 갈등을 완화하는 초기 어두운 에너지 성분을 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ2 표준 모델 상태방정식에서의 이탈을 정의하는 매개변수 γₛ 및 α는 허블 파라미터 및 우주의 팽창 역사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전자기역학에서 유도된 비선형성 매개변수 β는 초기 구조 형성과 음파 반경 척도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모델은 초기 및 후기 관측 사이의 중간에 위치하는 허블 파라미터 및 σ₈ 값을 예측하여 허블 및 σ₈ 갈등을 해결하는가?
• RQ5 이 모델이 예측하는 R_CMB는 플랑크 데이터와 어떻게 비교되며, 이는 초기 구조 형성에 대해 어떤 함의를 지니는가?

주요 결과

• 모델은 γₛ = 0.468 ± 0.026 및 α = -0.947 ± 0.032의 최적 적합값을 도출하며, 이는 ΛCDM 모델에서 γₛ = β = 0인 것과는 상당한 이격을 보임을 시사한다.
• 비선형성 매개변수 β는 0.015 ± 0.008로 제약되며, 맥스웰 전자기역학에서의 비제로 이격을 확인하고 NLED 기반의 초기 어두운 에너지 기원을 지지함을 의미한다.
• 허블 상수는 H₀ = 70.2 ± 0.9 km/s/Mpc로 예측되며, 플랑크 2018의 값(67.4 ± 0.5)과 SH0ES 국지 측정값(73.04 ± 1.04) 사이에 위치하여 허블 갈등을 완화함을 보여준다.
• σ₈ 파라미터는 0.798 ± 0.007로 예측되며, KiDS 및 2dFLenS와 같은 약한 렌즈 설문조사와 일치하며, 플랑크 추정치와 후기 측정치 사이에 위치함을 보여준다.
• S₈ 파라미터는 0.758 ± 0.007로 추정되며, 최근의 약한 렌즈 데이터와 일치하고 플랑크 및 후기 측정치 사이에 위치하여 S₈ 갈등을 감소시킴을 보여준다.
• 모델은 ΛCDM보다 더 이른 시점에 물질-복사 평형을 예측하고 더 빠른 구조 형성을 유도하며, R_CMB = 1.61⁺⁰.²³₋₀.₀₄의 낮은 값으로 이를 확인함으로써 초기 어두운 에너지 효과와 일치한다.

Figure 2: Evolution of the energy density for dark energy $\Omega_{de}(a)$ for $\alpha=0.25$ and different values of $\gamma_{s}$ . Here $\Omega_{r,o}=10^{-4}$ , $\Omega_{m,o}=0.3$ and $\Omega_{de,o}=1-\Omega_{m,o}-\Omega_{r,o}$ .