[论文解读] Can late dark energy restore the Cosmic concordance

Z. Zhou, Gang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文研究了晚期暗能量模型——特别是过渡暗能量（TDE）和改进型涌现暗能量（MEDE）——是否能够解决宇宙学中的H₀和S₈张力问题。研究发现，虽然在排除BOSS BAO数据后，TDE模型可将H₀张力从3.1σ降至1.1σ，而MEDE模型在不使用SNe Ia数据时可缓解H₀张力，但两种模型均无法解决S₈张力问题，且在晚期暗能量框架下，CMB、BAO与校准SNe Ia构成的‘不可能三角’依然无法调和。

ABSTRACT

The tension between inferences of Hubble constant ($H_0$) is found in a large array of datasets combinations. Modification to the late expansion history is the most direct solution to this discrepancy. In this work we examine the viability of restoring the cosmological concordance within the scenarios of late dark energy. We explore two representative parameterizations: a novel version of transitional dark energy (TDE) and modified emergent dark energy (MEDE). We find that, the main anchors for the cosmic distance scale: cosmic microwave background (CMB), baryon acoustic oscillation (BAO), and SNe Ia calibrated by Cepheids form a ``impossible trinity'', i.e., it's plausible to reconcile with any of the two but unlikely to accommodate them all. Particularly, the tension between BAO and the calibrated SNe Ia can not be reconciled within the scenarios of late dark energy. Nevertheless, we still find a positive evidence for TDE model in analysis of all datasets combinations, while with the the exclusion of BOSS datasets, the tensions with SH0ES drops from $3.1\sigma$ to $1.1\sigma$. For MEDE model, the tension with $H_0$ is much alleviated with the exclusion of SNe dataset. But unfortunately, in both TDE and MEDE scenarios, the $S_8$ tension is not relieved nor exacerbated.

研究动机与目标

• 评估晚期暗能量模型是否可通过调和H₀与S₈的冲突测量值，恢复宇宙的一致性。
• 研究两种晚期暗能量参数化形式的可行性：过渡暗能量（TDE）与改进型涌现暗能量（MEDE）。
• 确定CMB、BAO与造父变星校准SNe Ia数据的组合是否能在这些模型中同时实现一致。
• 评估在不同数据集组合下，尤其是排除特定巡天（如BOSS）时，H₀与S₈张力的稳健性。

提出的方法

• 本研究采用两种参数化形式：一种新型过渡暗能量（TDE）与改进型涌现暗能量（MEDE），以模拟晚期宇宙的暗能量演化。
• 使用包括宇宙微波背景（CMB）、重子声学振荡（BAO）测量以及通过造父变星距离校准的Ia型超新星（SNe Ia）在内的宇宙学数据集。
• 通过多种数据集组合的联合似然推断，检验其与标准宇宙学模型的一致性。
• 利用卡方统计量与贝叶斯证据评估H₀与S₈张力的显著性，特别关注SH0ES与Planck数据。
• 系统性地测试排除特定数据集（尤其是BOSS BAO与SNe Ia）的影响，以评估其对张力缓解的作用。
• 模型比较依赖于统计显著性水平（如σ值）来量化张力的缓解或持续存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 晚期暗能量模型能否调和CMB与本地测量之间的H₀张力？
• RQ2 CMB、BAO与造父变星校准SNe Ia数据的组合是否能在晚期暗能量模型中同时兼容？
• RQ3 当排除BOSS BAO数据时，TDE模型是否能减轻H₀张力？
• RQ4 当排除SNe Ia数据时，MEDE模型是否能缓解H₀张力？
• RQ5 TDE或MEDE模型是否能解决S₈张力，抑或该张力保持不变？

主要发现

• 当排除BOSS BAO数据后，TDE模型可将H₀张力从3.1σ降至1.1σ，表明该差异得到显著缓解。
• 当移除SNe Ia数据后，MEDE模型可缓解H₀张力，表明SNe Ia在该框架中是张力的关键驱动因素。
• CMB、BAO与造父变星校准SNe Ia的组合构成一个‘不可能三角’——在晚期暗能量模型中同时调和三者几乎不可能。
• 无论是TDE还是MEDE模型，均无法解决S₈张力，其水平与标准ΛCDM模型中相同。
• 在TDE与MEDE两种情景下，S₈张力均未改变，表明仅靠晚期暗能量无法解决这一特定差异。
• 尽管H₀张力得到部分缓解，但在晚期暗能量假设下，宇宙距离阶梯的根本性张力依然未获解决。