[论文解读] Dark matter solution to the $H_{0}$ and $S_{8}$ tensions, and the integrated Sachs-Wolfe void anomaly

Krishna Naidoo, Mariana Jaber+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 70被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种演化暗物质（ΛeDM）的唯象学模型，其暗物质状态方程（w_dm）随时间变化：早期为零，晚期变为负值并逐渐增加。该模型同时缓解了H₀和S₈张力，并解释了宇宙空洞中异常大的积分萨克斯-沃尔夫（ISW）信号，预测ISW效应相比ΛCDM增强最多约2倍，为多个宇宙学张力提供了一个基于暗物质的统一解决方案。

ABSTRACT

We consider a phenomenological model of dark matter with an equation-of-state $w$ that is negative and changing at late times. We show this couples the $H_{0}$ and $S_{8}$ tensions, alleviating them both simultaneously, reducing the $H_{0}$ tension from $\sim5σ$ to $\sim3σ$ and the $S_{8}$ tension from $\sim3σ$ to $\sim1σ$. Furthermore, the model provides an explanation for the anomalously large integrated Sachs-Wolfe (ISW) effect from cosmic voids, a unique consequence of the changing and negative equation-of-state. Observations of high ISW from cosmic voids may therefore be evidence that dark matter plays a significant role in both the $H_{0}$ and $S_{8}$ tensions. We predict the ISW from cosmic voids to be a factor of up to $\sim2$ greater in this model than what is expected from the standard model $Λ$CDM. These results extend to other degenerate models of dark matter, such as unified or interacting dark matter and dark energy models.

研究动机与目标

• 通过探索具有时变状态方程的唯象学暗物质模型，解决宇宙学中持续存在的H₀和S₈张力。
• 研究是否晚期暗物质动力学可解释来自宇宙空洞（尤其是测光空洞）的异常大ISW信号。
• 检验单一暗物质模型是否能同时缓解多个宇宙学张力与异常现象。
• 利用宇宙学数据（包括Planck 2018、超新星、BAO和H₀测量）约束模型参数。

提出的方法

• 构建了一个具有时变状态方程w_dm(a)的演化暗物质（ΛeDM）唯象学模型，该方程随尺度因子变化，早期从零线性增加至晚期非零值。
• 通过连续性方程的积分形式W(a) = exp(3∫ₐ¹ w_dm(a′)/a′ da′)推导暗物质密度演化，将状态方程与密度演化相联系。
• 在包含宇宙学常数（Λ）的宇宙学框架中实现该模型，证明其等价于具有晚期暗物质-暗能量耦合的相互作用暗能量模型。
• 使用Cobaya软件包进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，结合Planck 2018、超新星、BAO和H₀数据，约束模型参数（w_dm,0和a_nz）。
• 计算三种空洞类型（光谱型、测光型和埃里达努斯空洞）的ISW和弱引力透镜信号，并与ΛCDM预测进行比较。
• 将模型预测与H₀、S₈及空洞ISW/透镜信号幅度的观测约束进行对比，计算张力缓解的显著性水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变暗物质状态方程是否能同时缓解宇宙学中的H₀和S₈张力？
• RQ2 从测光空洞观测到的异常大ISW信号是否指向晚期非标准的暗物质行为？
• RQ3 ΛeDM模型在与其它宇宙学观测一致的前提下，能在多大程度上解释空洞-ISW异常现象？
• RQ4 参数w_dm,0和a_nz如何影响宇宙空洞的ISW和透镜信号？观测对这些参数施加了何种约束？
• RQ5 H₀和S₈张力与空洞-ISW异常之间是否存在可由单一暗物质模型缓解的退化关系？

主要发现

• 当包含H₀数据时，ΛeDM模型将ΛCDM中的H₀张力从5.04σ降低至3.04σ，S₈张力从2.94σ降低至1.21σ，表明显著缓解。
• 该模型预测宇宙空洞的ISW信号比ΛCDM最大增强约2倍，尤其在测光空洞中表现明显，与观测到的异常信号一致。
• ΛeDM中的ISW幅度与H₀呈强正相关：H₀值越高，ISW信号越大，与观测中空洞产生高ISW信号的现象一致。
• 与ΛCDM相比，ΛeDM中透镜收敛幅度A_κ被抑制，尤其在测光空洞中更为明显，这与观测结果（透镜信号在或低于ΛCDM预期）一致。
• 模型参数w_dm,0与a_nz存在强退化关系，但数据更倾向于非零的w_dm,0，其值约为-0.15，表明暗物质在晚期具有负的状态方程。
• ΔAIC与Δχ²统计量表明，ΛeDM对综合数据集的拟合优于ΛCDM，尤其在包含H₀和ISW数据时更为显著。