[论文解读] Phenomenologically Emergent Dark Energy and Ruling Out Cosmological Constant

Xiaolei Li, Arman Shafieloo|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

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，其中暗能量仅在晚期出现，其状态方程从 −2/(3 ln 10) − 1 演化至 −1。该模型在拟合结合的低红移和高红移数据（Ia型超新星、BAO、Lyα BAO、CMB）时，优于标准 ΛCDM 模型，Δχ²bf ≈ −41.08 且 ΔDIC ≈ −35.38，表明若本地 H₀ 测量可靠且系统误差较小，则有强有力的统计证据反对宇宙学常数。

ABSTRACT

Motivated by the current status of the cosmological observations and significant tensions in the estimated values of some key parameters assuming the standard $\Lambda$CDM model, we propose a simple but radical phenomenological emergent dark energy model where dark energy has no effective presence in the past and emerges at the later times. Theoretically, in this phenomenological dark energy model with zero degree of freedom (similar to a $\Lambda$CDM model), one can derive that the equation of state of dark energy increases from $-\frac{2}{3 { m{ln}}\, 10} -1$ in the past to $-1$ in the future. We show that by setting a hard-cut 2$\sigma$ lower bound prior for the $H_0$ that associates with $97.72\%$ probability from the recent local observations~\citep{riess2019large}, this model can satisfy different combinations of cosmological observations at low and high redshifts (SNe Ia, BAO, Ly{$\alpha$} BAO and CMB) substantially better than the concordance $\Lambda$CDM model with $\Delta \chi^2_{bf} \sim -41.08$ and $\Delta\,{ m{DIC}} \sim-35.38$. If there are no substantial systematics in SN Ia, BAO or Planck CMB data and assuming reliability of the current local $H_0$ measurements, there is a very high probability that with slightly more precise measurement of the Hubble constant our proposed phenomenological model rules out the cosmological constant with decisive statistical significance and is a strong alternative to explain combination of different cosmological observations. This simple phenomenologically emergent dark energy model can guide theoretically motivated dark energy model building activities.

研究动机与目标

• 解决标准 ΛCDM 框架内宇宙学参数估计中日益增长的张力，特别是 H₀ 的问题。
• 研究一种仅在晚期才出现的暗能量模型是否能比 ΛCDM 更好地调和多样的宇宙学观测。
• 在假设本地 H₀ 测量可靠且 SNe Ia、BAO 和 CMB 数据中系统误差可忽略的前提下，评估排除宇宙学常数的统计显著性。
• 提出一个现象学模型，以指导未来基于理论动机的暗能量模型构建。

提出的方法

• 提出一个自由度为零的现象学暗能量模型，类似于 ΛCDM，但具有随时间演化的暗能量，且在早期不存在。
• 推导出暗能量状态方程随时间的变化，其值从早期的 −2/(3 ln 10) − 1 演化至未来的 −1。
• 对哈勃常数 H₀ 应用硬截断的 2σ 下限先验，对应于 Riess 等人（2019）本地测量中 97.72% 的概率。
• 使用 Ia 型超新星、BAO、Lyα BAO 和 Planck CMB 数据进行联合似然分析，以比较模型表现。
• 使用 Δχ²bf 和 ΔDIC 定量评估该模型相对于 ΛCDM 的改进程度。
• 在假设本地 H₀ 测量准确且其他数据集系统误差较小的前提下，评估拒绝宇宙学常数的统计显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种仅在晚期才出现的现象学暗能量模型，是否能比标准 ΛCDM 模型更好地解释低红移与高红移宇宙学观测的组合？
• RQ2 在假设本地 H₀ 测量可靠且 SNe Ia、BAO 或 CMB 数据中无重大系统误差的前提下，该模型相对于宇宙学常数的统计显著性如何？
• RQ3 该模型中随时间演化的暗能量状态方程与 ΛCDM 模型中恒定的 w = −1 相比有何差异？其对观测一致性有何影响？
• RQ4 与 ΛCDM 相比，引入 H₀ 的 2σ 下限先验在多大程度上改善了模型对宇宙学数据的拟合？
• RQ5 鉴于该模型在现象学上的成功，它对未来理论暗能量模型构建有何启示？

主要发现

• 在拟合结合的 Ia 型超新星、BAO、Lyα BAO 和 CMB 数据时，该涌现暗能量模型相比 ΛCDM 模型实现了 Δχ²bf ≈ −41.08 的改进。
• 该模型在信息理论标准下相比 ΛCDM 模型表现出 ΔDIC ≈ −35.38 的改进，表明其具有更强的统计偏好。
• 暗能量的状态方程从早期的 −2/(3 ln 10) − 1 ≈ −1.30 演化至未来的 −1，与晚期出现的特征一致。
• 在 H₀ 测量略有改善的情况下，该模型在假设本地 H₀ 可靠且系统误差较小的前提下，提供了决定性的统计证据以反对宇宙学常数。
• 该模型的优越拟合表明，若未来数据确认当前本地 H₀ 值且无重大系统误差，则宇宙学常数可被高度置信地排除。
• 该现象学模型为 ΛCDM 提供了一个可行且基于观测的替代方案，可指导更根本的暗能量理论模型的发展。