[论文解读] Constraining the interaction between dark matter and dark energy with CMB data

Riccardo Murgia|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文研究了暗物质（DM）与暗能量（DE）之间的一种现象学非引力耦合，该耦合以能量从DE传递到DM（正耦合ξ）为参数化。利用CMB数据和综合宇宙学探针，研究发现这种耦合显著降低了高红移Planck测量与低红shift本地H₀和σ₈测定值之间的张力，当DE衰变为DM时，该模型（MOD2）在观测上表现出更好的一致性。

ABSTRACT

We briefly discuss the intriguing case of a phenomenological non-gravitational coupling in the dark sector, where the interaction is parameterized as an energy transfer either from dark matter to dark energy or the opposite. We show that a non-zero coupling with an energy flow from the latter to the former leads to a full reconciliation of the tension between high- and low-redshift observations present in the standard cosmological model.

研究动机与目标

• 探究暗物质与暗能量之间的非引力相互作用是否能缓解标准模型中的宇宙学张力。
• 解决高红移CMB估计与低红移本地H₀和σ₈测量之间持续存在的差异。
• 测试一种现象学模型，其中能量从暗能量流向暗物质，由耦合参数ξ参数化。
• 利用Planck CMB数据及其他宇宙学探针约束耦合强度。

提出的方法

• 通过DM和DE的非守恒应力-能量张量对相互作用进行建模，能量传递由耦合项Q控制。
• 耦合参数化为Q = ξℋρ_Λ，其中ξ为无量纲耦合参数，ℋ为哈勃速率。
• 从各自应力-能量张量的非守恒性推导出DM和DE能量密度的演化方程。
• 以Planck（TT+lowP）的宇宙微波背景各向异性为首要数据集，辅以BAO、SNe、RSD和弱引力透镜数据。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样在平坦先验下约束模型参数。
• 将标准ΛCDM模型与两个修正模型进行比较：MOD1（ξ < 0，DM衰变为DE）和MOD2（ξ > 0，DE衰变为DM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质与暗能量之间的非引力相互作用是否能调和H₀和σ₈在高红移与低红移的测量值？
• RQ2 控制DE向DM能量传递的耦合参数ξ如何影响宇宙学参数的演化？
• RQ3 引入暗区相互作用是否能提升CMB约束与低红移本地观测之间的一致性？
• RQ4 当结合Planck CMB数据与其他宇宙学探针时，耦合强度ξ的约束为何？
• RQ5 ξ的符号与大小如何影响早期与晚期宇宙中H₀与σ₈的预测值？

主要发现

• DE向DM传递能量的模型（MOD2，ξ > 0）降低了CMB估计与本地H₀和σ₈测量之间的张力。
• 在MOD2中，由于暗物质丰度降低导致结构形成延迟，σ₈被抑制，'ALL'数据集下σ₈ = 0.749⁺⁰.⁰⁶⁷₋₀.⁰⁶¹。
• MOD2中的H₀与本地测量一致（70.6 ± 3.3 km s⁻¹ Mpc⁻¹），'ALL'数据集下最佳拟合值为67.83⁺¹.⁹⁰₋₁.⁷⁵ km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• MOD1（DM衰变为DE）使σ₈增至0.994⁺⁰.²⁸³₋₀.²⁰²，与低红移σ₈约束的符合性更差。
• 在'ALL'数据集下，MOD2中耦合参数ξ被约束为ξ = 0.146⁺⁰.¹⁵⁴₋⁰.¹⁵⁴，表明存在非零但微弱的相互作用。
• 该模型显示出ξ与Ω_ch²之间的强相关性，当能量从DE流向DM时，ξ越大，当前暗物质密度越低。