[论文解读] Coupled and uncoupled early dark energy, massive neutrinos and the cosmological tensions

Adrià Gómez-Valent, Ziyang Zheng+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了包含大质量中微子的早期暗能量（EDE）模型——包括耦合与非耦合情形——以缓解宇宙学中的张力问题，特别是哈勃张力与S8张力。研究发现，超轻轴子样（ULA）EDE可将哈勃张力降低至约2σ，且不增加σ₁₂；而暗能量-暗物质耦合会增强物质聚集，受数据强约束；大质量中微子由于其总质量的上限非常紧，影响有限。

ABSTRACT

Some cosmological models with non-negligible dark energy fractions in particular windows of the pre-recombination epoch are capable of alleviating the Hubble tension quite efficiently, while keeping the good description of the data that are used to build the cosmic inverse distance ladder. There has been an intensive discussion in the community on whether these models enhance the power of matter fluctuations, leading {\it de facto} to a worsening of the tension with the large-scale structure measurements. We address this pivotal question in the context of several early dark energy (EDE) models, considering also in some cases a coupling between dark energy and dark matter, and the effect of massive neutrinos. We fit them using the Planck 2018 likelihoods, the supernovae of Type Ia from the Pantheon compilation and data on baryon acoustic oscillations. We find that ultra-light axion-like (ULA) EDE can actually alleviate the $H_0$ tension without increasing the values of $σ_{12}$ with respect to those found in the $Λ$CDM, whereas EDE with an exponential potential does not have any impact on the tensions. A coupling in the dark sector tends to enhance the clustering of matter, and the data limit a lot the influence of massive neutrinos, since the upper bounds on the sum of their masses are too close to those obtained in the standard model. We find that in the best case, namely ULA, the Hubble tension is reduced to $\sim 2σ$.

研究动机与目标

• 使用早期暗能量（EDE）模型解决宇宙学中持续存在的哈勃张力与S8张力问题。
• 评估EDE模型是否通过增强物质聚集而恶化大尺度结构数据中的张力。
• 研究暗能量-暗物质耦合以及大质量中微子对宇宙学约束的影响。
• 利用普朗克2018、超新星Ia（SNIa）与BAO数据检验ULA与指数势EDE模型的可行性。

提出的方法

• 使用普朗克2018 CMB似然函数、潘通超新星Ia数据与BAO数据拟合EDE模型。
• 采用射击法通过迭代优化，将EDE参数（f_ede, z_max）映射至ULA势参数（m, f）。
• 通过χ²比较不同数据集（CMB高/低ℓ、强引力透镜、SNIa、BAO）的模型表现。
• 分析非耦合EDE（ULA、指数势）与不同暗能量-暗物质耦合强度的耦合EDE（CDE）模型。
• 引入具有自由质量的大质量中微子，并与标准ΛCDM模型进行比较。
• 采用蒙特卡洛采样方法，对中微子质量劈裂（Δm²₂₁, Δm²₃₁）施加先验，以评估敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超轻轴子样早期暗能量（ULA EDE）是否可在不恶化S8张力的前提下缓解哈勃张力？
• RQ2 暗能量与暗物质之间的耦合是否增强物质聚集，从而加剧S8张力？
• RQ3 当允许中微子总质量自由变化时，大质量中微子如何影响宇宙学张力？
• RQ4 具有指数势的EDE模型是否对哈勃张力或S8张力产生影响？
• RQ5 当前宇宙学数据对暗能量-暗物质耦合强度的约束为何？

主要发现

• 超轻轴子样（ULA）EDE模型可将哈勃张力降低至约2σ，且不增加σ₁₂，与大尺度结构数据保持一致。
• 具有指数势的EDE对哈勃张力或S8张力均无显著影响。
• 暗能量-暗物质耦合增强物质聚集，但受当前数据强约束，其影响有限。
• 中微子总质量的上限过紧，即使允许其自由变化，也无法产生显著影响。
• CDE_ULA模型表现最佳，在拟合Planck18+SNIa+BAO数据时，总Δχ²相比ΛCDM改善7.87。
• 引入大质量中微子使ULA模型的χ²略有改善（Δχ² = 3.94），但由于约束过紧，影响微弱。