[论文解读] Alleviating both $H_0$ and $S_8$ tensions: early dark energy lifts the CMB-lockdown on ultralight axion

Gen Ye, Jun Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文提出，具有反 de Sitter（AdS）相的早期暗能量（EDE）可解除宇宙微波背景（CMB）对轴子（ULAs）的约束，使质量约为10⁻²⁶ eV的轴子可贡献6%的物质成分。AdS-EDE 模型通过使ULAs在不与CMB、BAO或超新星数据冲突的前提下贡献物质，同时缓解了H₀和S₈的张力。

ABSTRACT

The existence of ultralight axion (ULA) with mass $\mathcal{O}( 10^{-26} ext{eV})$ is not favored by the CMB observations in the standard $Λ$CDM model. We show that the inclusion of early dark energy (EDE) will lift the CMB-lockdown on such ULA, and possibly other forms of dark matter beyond cold dark matter. By performing Monte Carlo Markov Chain analysis, it is found that, as opposed to $Λ$CDM, the AdS-EDE cosmology (with an Anti-de Sitter phase around recombination) now allows the existence of axion with mass $10^{-26}$ eV and predicts $6\%$ of the matter in our Universe to be such ULA, which can also help alleviating the $S_8$ tension in EDE.

研究动机与目标

• 通过早期暗能量（EDE）解决ΛCDM模型中的H₀和S₈张力。
• 研究质量约为10⁻²⁶ eV的超轻轴子（ULAs）在EDE存在下的可行性。
• 确定EDE模型中的AdS相是否能解除对ULAs的CMB锁定。
• 评估ULAs在AdS-EDE框架下对宇宙学参数（尤其是H₀和S₈）的影响。
• 评估ULAs检测在不同初始场配置和EDE参数下的鲁棒性。

提出的方法

• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析探索AdS-EDE+ULA宇宙学模型中的参数空间。
• 通过负曲率项（参数化为αₐdₛ）在早期暗能量势能中引入AdS相。
• 将ULAs建模为质量mₐ ≈ 10⁻²⁶ eV的标量场，初始错位角为Θᵢ，其演化由势能V(Θ) ∝ mₐ²fₐ²(1 - cos Θ)描述。
• 将模型拟合结果与Planck 2018 CMB、Pantheon超新星和fsBAO数据进行比较，使用Δχ²评估拟合优度。
• 独立变化参数（mₐ、Θᵢ、αₐdₛ）以测试ULAs分数rₐ = Ωₐₓᵢₒₙ/Ωₘ以及对H₀和S₈的约束的鲁棒性。
• 分析相空间体积效应，以评估尽管在αₐdₛ > 0时拟合更优，但非零αₐdₛ是否在理论上更受青睐。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有AdS相的早期暗能量是否能允许质量约为10⁻²⁶ eV的超轻轴子（ULAs）存在，而这些轴子在ΛCDM中本被CMB数据所排除？
• RQ2 在AdS-EDE模型中引入ULAs是否能改善与本地H₀ = 73.2 ± 1.3 km/s/Mpc和S₈ = 0.755⁺⁰.⁰¹⁹₋₀.⁰²¹测量值的一致性，同时不降低与CMB、BAO和超新星数据的符合度？
• RQ3 ULAs分数rₐ如何依赖于初始场配置（Θᵢ）和质量（mₐ）？其对EDE参数变化是否具有鲁棒性？
• RQ4 AdS相（αₐdₛ）在实现更高ULAs分数方面起什么作用？它是否是实现95%可信水平ULAs检测的必要条件？
• RQ5 为何EDE机制能解除对ULAs的CMB锁定？它如何通过解耦扰动增长中ωₘ与H₀之间的退化关系来实现？

主要发现

• 当mₐ ≈ 10⁻²⁶ eV时，AdS-EDE模型允许ULAs占总物质的6%，从而解除了ΛCDM中对ULAs的CMB锁定。
• 在AdS-EDE中引入ULAs可改善与本地H₀ = 73.2 ± 1.3 km/s/Mpc和S₈ = 0.755⁺⁰.⁰¹⁹₋₀.⁰²¹的符合度，从而同时缓解了H₀和S₈的张力。
• ULAs分数rₐ对初始错位角Θᵢ和质量mₐ的变化具有鲁棒性，但当mₐ自由变化时其约束性减弱。
• AdS相（αₐdₛ ≈ 3.79×10⁻⁴）增加了允许的EDE分数fₑdₑ，从而支持更高的ULAs分数，尽管它并非实现95%可信水平ULAs检测的必要条件。
• 尽管在αₐdₛ > 0时拟合更优，但MCMC链更倾向于较小的αₐdₛ，这是由于相空间体积效应所致，因此数据仅微弱地暗示AdS相的存在。
• 该模型在引入AdS相（αₐdₛ = 3.79×10⁻⁴）时总χ²为3818.35，略优于无AdS相时的3819.09，但该改进被参数空间体积的减小所抵消。