[论文解读] Dark energy and matter interacting scenario to relieve $H_0$ and $S_8$ tensions

Li-Yang Gao, She-Sheng Xue+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种新颖的 $\tilde{\Lambda}$CDM 模型，其中真空能量与物质和辐射相互作用，其动机源于量子引力中的渐近安全理论。利用 CMB+BAO+SN+H₀+S₈ 数据，该模型将 $H_0$ 张力降低至 0.75σ，$S_8$ 张力降低至 2.09σ，最佳拟合参数为 $H_0 = 71.9 \pm 1.1~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 和 $S_8 = 0.8071 \pm 0.0099$，当包含 $H_0$ 和 $S_8$ 数据时，该模型在 AIC 指标下优于 $\Lambda$CDM。

ABSTRACT

We consider a new cosmological model (called $ ildeΛ$CDM) in which the vacuum energy interacts with matter and radiation, and test this model using the current cosmological observations. Using the CMB+BAO+SN (CBS) dataset to constrain the model, we find that $H_0$ and $S_8$ tensions are relieved to $2.87σ$ and $2.77σ$, respectively. However, in this case, the $ ildeΛ$CDM model is not favored by the data, compared with $Λ$CDM. We find that when the $H_0$ and $S_8$ data are added to the data combination, the situation is significantly improved. In the CBS+$H_0$ case, the model relieves the $H_0$ tension to $0.47σ$, and the model is favored over $Λ$CDM. In the CBS+$H_0$+$S_8$ case, we obtain a synthetically best situation, in which the $H_0$ and $S_8$ tensions are relieved to $0.72σ$ and $2.11σ$, respectively. In this case, the model is most favored by the data. Therefore, this cosmological model can greatly relieve the $H_0$ tension and simultaneously effectively alleviate the $S_8$ tension.

研究动机与目标

• 通过修改 $\lambda$CDM 模型来解决宇宙学中持续存在的 $H_0$ 和 $S_8$ 张力问题。
• 检验真空能量与物质和辐射相互作用是否能同时缓解这两种张力。
• 利用 AIC 等信息准则评估该模型相对于标准 $\Lambda$CDM 的统计偏好。
• 研究包含直接 $H_0$ 和 $S_8$ 测量值对模型拟合及张力缓解的影响。
• 比较完整 $\psi$CDM 模型与简化版本及其他相互作用暗能量模型的性能。

提出的方法

• 该模型引入了随时间变化的真空能量，使其与物质和辐射相互作用，满足广义的能量-动量守恒定律：$(T^{\mu\nu}_{\Lambda} + T^{\mu\nu}_{M})_{;\nu} = 0$。
• 该相互作用源于量子引力中的渐近安全理论及粒子产生机制，导致暗能量与物质之间的能量通量不守恒。
• 利用 CMB（Planck 2018）、BAO 和 SN（Pantheon）数据（CBS）的组合推导宇宙学约束，附加 $H_0$ 和 $S_8$ 先验。
• 通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法探索参数空间并计算后验分布。
• 使用赤池信息准则（AIC）进行模型比较，$\Delta$AIC 表示 $\psi$CDM 模型相对于 $\Lambda$CDM 的偏好程度。
• 通过将模型的最佳拟合值与 Planck 2018 和 SH0ES 结果进行比较，量化 $H_0$ 和 $S_8$ 张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种真空能量-物质相互作用的宇宙学模型，能显著降低 $\Lambda$CDM 模型中观测到的 $H_0$ 张力？
• RQ2 与仅使用 CMB+BAO+SN 数据相比，加入 $H_0$ 和 $S_8$ 数据是否能改善模型的拟合效果并缓解张力？
• RQ3 与 $\Lambda$(t)CDM 和简化 $\psi$CDM 等其他相互作用暗能量模型相比，$\psi$CDM 模型在缓解宇宙学张力方面表现如何？
• RQ4 当在分析中包含 $H_0$ 和 $S_8$ 数据时，$\psi$CDM 模型是否在统计上优于 $\Lambda$CDM？
• RQ5 该模型在不加剧 $H_0$ 张力的前提下，能在多大程度上缓解 $S_8$ 张力？

主要发现

• 当仅使用 CMB+BAO+SN（CBS）数据约束时，$\psi$CDM 模型将 $H_0$ 张力降低至 $1.28\sigma$，$S_8$ 张力降低至 $2.67\sigma$。
• 当加入 $H_0$ 数据（CBS+$H_0$）后，$H_0$ 张力进一步降低至 $0.53\sigma$，且模型在 $\Delta$AIC = -1.87 下优于 $\Lambda$CDM。
• 仅加入 $S_8$ 数据（CBS+$S_8$）会恶化 $H_0$ 张力至 $2.38\sigma$，且 $\Delta$AIC 增加至 4.24，表明模型不被偏好。
• 综合使用 CBS+$H_0$+$S_8$ 数据集时，模型表现最佳：$H_0 = 71.9 \pm 1.1~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 和 $S_8 = 0.8071 \pm 0.0099$，将张力分别降低至 $0.75\sigma$ 和 $2.09\sigma$。
• 此时，模型在数据中最具优势，$\Delta$AIC = -2.86，表明其相对于 $\Lambda$CDM 具有更优的拟合效果。
• 该模型在同时缓解 $H_0$ 和 $S_8$ 张力的同时，相较于简化 $\psi$CDM 和 $\Lambda$(t)CDM 模型，表现出更优的统计偏好。