[论文解读] Testing dark energy models with $H(z)$ data

Jing-Zhao Qi, Shuang‐Nan Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 42被引用 10

一句话总结

本研究利用高斯过程从最新的 $H(z)$ 数据中重构了 $Om(z)$ 诊断及其一阶导数 $\mathcal{L}^{(1)}_m$，以检验暗能量模型。结果表明，CPL 和 JBP 模型在 1σ 置信水平下被排除；高红移 $H(z)$ 数据与理论预测存在显著偏差，对标准 $\Lambda$CDM 模型构成挑战。

ABSTRACT

$Om(z)$ is a diagnostic approach to distinguish dark energy models. However, there are few articles to discuss what is the distinguishing criterion. In this paper, firstly we smooth the latest observational $H(z)$ data using a model-independent method -- Gaussian processes, and then reconstruct the $Om(z)$ and its fist order derivative $\mathcal{L}^{(1)}_m$. Such reconstructions not only could be the distinguishing criteria, but also could be used to estimate the authenticity of models. We choose some popular models to study, such as $Λ$CDM, generalized Chaplygin gas (GCG) model, Chevallier-Polarski-Linder (CPL) parametrization and Jassal-Bagla-Padmanabhan (JBP) parametrization. We plot the trajectories of $Om(z)$ and $\mathcal{L}^{(1)}_m$ with $1 σ$ confidence level of these models, and compare them to the reconstruction from $H(z)$ data set. The result indicates that the $H(z)$ data does not favor the CPL and JBP models at $1 σ$ confidence level. Strangely, in high redshift range, the reconstructed $\mathcal{L}^{(1)}_m$ has a tendency of deviation from theoretical value, which demonstrates these models are disagreeable with high redshift $H(z)$ data. This result supports the conclusions of Sahni et al. \citep{sahni2014model} and Ding et al. \citep{ding2015there} that the $Λ$CDM may not be the best description of our universe.

研究动机与目标

• 开发一种基于观测 $H(z)$ 数据的模型无关方法，用于检验暗能量模型。
• 建立 $Om(z)$ 和 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 的重构结果，作为区分暗能量模型的判据。
• 根据最新的 $H(z)$ 数据，评估 $\Lambda$CDM、GCG、CPL 和 JBP 等流行暗能量模型的真实性。
• 研究理论模型预测与高红移处重构的 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 之间的差异。
• 评估当前 $H(z)$ 数据是否支持或挑战 $\Lambda$CDM 宇宙学范式。

提出的方法

• 采用高斯过程对最新的 $H(z)$ 观测数据进行模型无关的平滑处理。
• 从平滑后的 $H(z)$ 数据中重构 $Om(z)$ 诊断及其一阶导数 $\mathcal{L}^{(1)}_m$。
• 将重构的 $Om(z)$ 和 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 及其误差范围用作模型无关的区分标准。
• 在 1σ 和 2σ 置信水平下，将 $\Lambda$CDM、GCG、CPL 和 JBP 模型的理论轨迹与重构的 $Om(z)$ 和 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 进行比较。
• 通过检查理论预测是否落在重构的误差范围内，评估模型的一致性。
• 分析 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 在高红移区域的行为，以检测其与理论模型之间潜在的张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用从 $H(z)$ 数据中重构的 $Om(z)$ 和 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 作为可靠且模型无关的判据，以区分暗能量模型？
• RQ2 在 1σ 和 2σ 置信水平下，$\Lambda$CDM、GCG、CPL 和 JBP 模型与重构的 $Om(z)$ 和 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 的对比结果如何？
• RQ3 为何 CPL 和 JBP 模型的理论 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 值在低红移区域与重构值存在显著偏差？
• RQ4 为何在 $z > 1.5$ 时，重构的 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 与零的偏差持续增大？这是否表明当前模型存在问题？
• RQ5 高红移 $H(z)$ 数据在多大程度上挑战 $\Lambda$CDM 模型及其他标准暗能量模型？

主要发现

• 在 1σ 置信水平下，$H(z)$ 数据排除了 CPL 和 JBP 模型，因为其理论 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 轨迹与重构值存在显著偏差。
• 在 $z$–$\mathcal{L}^{(1)}_m$ 平面中，$\Lambda$CDM 和 GCG 模型在 1σ 误差范围内与重构的 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 保持一致。
• 重构的 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 在 $z > 1.5$ 时表现出系统性偏离零，表明在高红移区域与理论模型之间可能存在张力。
• $\text{CPL}$ 模型的 $1\sigma$ 置信区间与重构 $Om(z)$ 的 $2\sigma$ 范围重叠，但仍偏离 $1\sigma$ 范围，表明存在不一致性。
• 高红移处 $\mathcal{L}^{(1)}_m$ 的观测偏差表明，当前的暗能量模型（包括 $\Lambda$CDM）可能无法完全描述宇宙，支持了 Sahni 等人和 Ding 等人的早期发现。
• 结果表明，未来高红移 $H(z)$ 数据对于验证该偏差是真实存在还是由数据稀疏性导致至关重要。