[论文解读] Dark energy-dark matter interactions as a solution to the $S_8$ tension

Matteo Lucca|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 50被引用 6

一句话总结

本文提出了一种暗能量-暗物质相互作用模型，其中能量从暗能量流向暗物质（iDEDM情景），延迟了物质-辐射相等并抑制了物质功率谱振幅。该模型显著将 $S_8$ 紧张度降低至 2.5σ 以下，且未加剧哈勃张力或降低拟合质量，并且在引入 KiDS 和 DES 的弱引力透镜数据后进一步改善。

ABSTRACT

In this work we consider a scenario where the dark energy is a dynamical fluid whose energy density can be transferred to the dark matter via a coupling function proportional to the energy density of the dark energy. In particular, we investigate this model's ability to address the $S_8$ tension and find that against data from Planck, BAO and Pantheon the model 1) can significantly reduce the significance of the tension, 2) does so without exacerbating nor introducing any other tension (such as the $H_0$ tension) and 3) without worsening the fit to the considered data sets with respect to the $Λ$CDM model. We also test the model against data from weak lensing surveys such as KiDS and DES, and find that the model's ability to address the $S_8$ tension further improves, without a significant impact on any other parameter nor statistical measure.

研究动机与目标

• 解决早期宇宙CMB推断与后期大尺度结构测量之间持续存在的 $S_8$ 紧张度问题。
• 研究是否存在一种动力学暗能量模型，通过能量向暗物质转移，可在不加剧其他张力的情况下缓解 $S_8$ 紧张度。
• 评估该模型与宇宙学数据的兼容性，特别是普朗克、BAO、SNIa 和像 KiDS 与 DES 这类弱引力透镜巡天的数据。
• 评估该模型在降低 $S_8$ 的同时是否保持对数据的良好拟合，并避免其他宇宙学约束的退化。

提出的方法

• 构建一个耦合函数与暗能量密度成正比的宇宙学模型，实现从暗能量向暗物质的能量转移（iDEDM情景）。
• 在背景演化框架中实现该模型，其中由于暗能量向暗物质注入能量，暗物质能量密度相对于 $\Lambda$CDM 被抑制。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法，基于普朗克CMB、BAO 和潘通 SNIa 数据约束模型参数。
• 通过引入 KiDS 和 DES 巡天的弱引力透镜数据，扩展分析以检验模型的稳健性与张力缓解能力。
• 通过 $\Delta\chi^2$、贝叶斯证据和张力的显著性水平等统计指标，将该模型与 $\Lambda$CDM 进行比较。
• 分析在不同数据组合下，关键参数 $S_8$、$\Omega_m$、$H_0$ 和 $\sigma_8$ 的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种暗能量-暗物质相互作用模型，通过能量从DE流向DM，可缓解 $S_8$ 紧张度而不加剧 $H_0$ 紧张度？
• RQ2 引入 KiDS 和 DES 的弱引力透镜数据如何影响该模型缓解 $S_8$ 紧张度的能力？
• RQ3 与 $\Lambda$CDM 相比，该模型在拟合普朗克、BAO 和 SNIa 数据方面是否保持良好拟合？
• RQ4 在组合数据集下，该模型对其他宇宙学参数（特别是 $\Omega_m$ 和 $H_0$）有何影响？
• RQ5 该模型是否可作为统一框架中的一部分，同时缓解 $H_0$ 和 $S_8$ 紧张度？

主要发现

• 当使用普朗克、BAO 和潘通数据约束时，iDEDM 模型即使在 $S_8$ 估计高度不一致的情况下，也将 $S_8$ 紧张度降低至 2.5σ 以下。
• 该模型未加剧 $H_0$ 紧张度，并且通过 $\Delta\chi^2$ 和贝叶斯证据比较确认，其拟合质量与 $\Lambda$CDM 相当。
• 引入 KiDS 和 DES 的弱引力透镜数据后，$S_8$ 紧张度分别进一步降低至 1.6σ 和 0.7σ，且未显著改变其他宇宙学参数。
• 该模型的成功归因于暗物质能量密度被抑制，导致物质-辐射相等被延迟，从而降低了物质功率谱的振幅。
• 尽管弱引力透镜巡天倾向于更低的 $\Omega_m$ 值，该模型仍与弱引力透镜巡天的 $\Omega_m$ 分布保持一致，表明其在数据协同下具有稳健性。
• 结果表明，该模型有潜力与早期时间机制（如早期暗能量）结合，构建统一框架，同时缓解 $H_0$ 和 $S_8$ 紧张度。