[論文レビュー] Probing elastic interactions in the dark sector and the role of $S_8$

Jose Beltrán Jiménez, Dario Bettoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、完全流体モデルと動的ダークエネルギー・モデルの2つのモデルにおいて、ダークエネルギーとダークマター間の弾性的相互作用を調査し、その相互作用がハッブル定数とσ₈の両方の緊張を緩和することを示している。低赤移速度データからのS₈制約を組み込むことで、モデルは非ゼロの結合を支持しており、ダークセクター内での運動量のやり取りが、主要な宇宙論的緊張を解消する可能性を示唆している。

ABSTRACT

We place observational constraints on two models within a class of scenarios featuring an elastic interaction between dark energy and dark matter that only produces momentum exchange up to first order in cosmological perturbations. The first one corresponds to a perfect-fluid model of the dark components with an explicit interacting Lagrangian, where dark energy acts as a dark radiation at early times and behaves as a cosmological constant at late times. The second one is a dynamical dark energy model with a dark radiation component, where the momentum exchange covariantly modifies the conservation equations in the dark sector. Using Cosmic Microwave Background (CMB), Baryon Acoustic Oscillations (BAO), and Supernovae type Ia (SnIa) data, we show that the Hubble tension can be alleviated due to the additional radiation, while the $σ_8$ tension present in the $Λ$-Cold-Dark-Matter model can be eased by the weaker galaxy clustering that occurs in these interacting models. Furthermore, we show that, while CMB+BAO+SnIa data put only upper bounds on the coupling strength, adding low-redshift data in the form of a constraint on the parameter $S_8$ strongly favours nonvanishing values of the interaction parameters. Our findings are in line with other results in the literature that could signal a universal trend of the momentum exchange among the dark sector.

研究の動機と目的

• Planck CMBと局所的測定（例：SH0ES）との間のハッブル定数（H₀）の不一致、すなわちハッブル緊張を解決すること。
• CMBと低赤移速度のクラスタリングプローブが物質フラクチュエーションの振幅について異なる結果を出す、ΛCDMモデルにおけるσ₈緊張を調査すること。
• ダークエネルギーとダークマターの間の弾性的運動量交換が、両方の緊張を同時に緩和できるかどうかを検討すること。
• S₈パラメータが、相互作用するダークセクター・モデルの区別に果たす役割を評価すること。
• CMB、BAO、SnIa、および低赤移速度のS₈データを用いて、結合強度に関する観測的制約に注目し、これらのモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 明示的なラグランジアンを備えた完全流体モデルと、共変運動量交換を持つ動的ダークエネルギー・モデルの2つの相互作用するダークセクター・モデルを定式化する。
• 宇宙論的パラメータ推定のため、CAMBおよびCLASSの改変版にモデルを実装する。
• 線形摂動理論を用いて、ダークマターおよびダークエネルギーの修正された保存方程式を導出し、1次摂動の段階で運動量交換を含める。
• CMB（Planck 2018）、BAO、SnIa（Pantheon）、および低赤移速度のS₈測定値を含む統合データセットを用いて、モデルのパラメータを制約する。
• ベイズ推論を用いて事後分布を計算し、非ゼロの結合の有意性を評価する。
• 結果をΛCDMモデルと比較し、緊張の緩和およびモデルの優位性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギーとダークマターの間の弾性的相互作用は、CMBと局所的測定との間のハッブル定数（H₀）の不一致を緩和できるか？
• RQ2 このような相互作用は、ΛCDMモデルで観測されるσ₈緊張をどの程度軽減できるか？
• RQ3 低赤移速度のクラスタリングプローブからのS₈データの組み込みが、相互作用強度の制約にどのように影響するか？
• RQ4 すべての観測データを統合した際に、これらの相互作用モデルがΛCDMモデルに対して一貫した優位性を示すか？
• RQ5 非線形構造形成の影響は、これらのモデルにおける線形摂動理論の結果の妥当性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 相互作用モデルにダーク放射成分を組み込むことで、初期時空の膨張率が上昇し、ハッブル緊張が緩和される。
• 相互作用モデルにおける弱い銀河クラスタリングはσ₈を低下させ、低赤移速度のクラスタリング測定値との緊張を軽減する。
• CMB+BAO+SnIaデータのみでは結合強度に上界しか得られないが、S₈制約を追加することで、非ゼロの相互作用パラメータが強く支持される。
• 他の研究が示唆するように、ダークセクター内での運動量交換の普遍的傾向と一貫している。
• モデルは背景宇宙の進化や重力ポテンシャルと密度場の標準的関係に最小限の修正を加え、大スケールでΛCDMと整合性を保っている。
• 成長率データおよびフルパワー・スペクトルの形状からの未来の制約は、特に低赤移速度での成長進化が特徴的であるため、これらのモデルをさらに検証するものになると予想される。