[论文解读] Do cosmological observations allow a negative $Λ$?

Anjan A. Sen, Shahnawaz A. Adil+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本研究探讨了负宇宙学常数（Λ < 0），即暗能量领域中反 de Sitter（AdS）真空，是否与当前宇宙学观测一致。通过采用具有负 Λ 的标量场模型，并结合CMB、BAO、H₀（R21）及Pantheon超新星数据，作者发现此类模型要么被偏好，要么与ΛCDM模型表现相当，表明负Λ在观测上是可行的，且在弦理论中可能具有自然性。

ABSTRACT

In view of the recent measurement of $H_{0}$ from HST and SH0ES team, we explore the possibility of existence of a negative cosmological constant (AdS vacua in the dark energy sector) in the Universe. In this regard, we consider quintessence fields on top of a negative cosmological constant and compare such construction with $Λ$CDM model using a different combination of CMB, SnIa, BAO and $H_{0}$ data. Various model comparison estimators show that quintessence models with a negative $Λ$ is either preferred over $Λ$CDM or performs equally as $Λ$CDM model. This suggests that the presence of a negative $Λ$ (AdS ground state) in our Universe, which can naturally arise in string theory, is consistent with cosmological observations.

研究动机与目标

• 评估负宇宙学常数（Λ < 0），对应于反 de Sitter（AdS）真空，是否与当前宇宙学观测一致。
• 探索具有负Λ的标量场模型作为标准ΛCDM模型的替代方案的可行性。
• 通过测试具有AdS真空的模型，解决H₀张力问题（即Planck CMB与SH0ES本地测量之间5σ的差异）。
• 评估基于AdS的暗能量模型是否在观测上一致，并且在弦理论中可能更自然。
• 使用多种宇宙学数据集和信息准则比较模型表现，包括最新的H₀测量（R21）。

提出的方法

• 采用两种广泛使用的暗能量表示方法对标量场模型进行参数化：wCDM和wCDMCC，两者均允许Λ非零（正值或负值）。
• 引入SH0ES团队最新的直接H₀测量结果（R21）：H₀ = 73.30 ± 1.04 km/s/Mpc。
• 使用Planck 2018的CMB似然数据、大尺度结构巡天的BAO数据以及Pantheon超新星数据，对模型进行综合约束。
• 应用模型比较估计量（如信息准则）评估负Λ模型相对于ΛCDM的相对表现。
• 通过CMB+BAO+H₀与CMB+BAO+H₀+SN组合进行联合约束，评估不同数据集之间的一致性。
• 检验引入负Λ是否能改善对H₀张力的拟合，同时保持与早期宇宙可观测量（如r_d）的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 负宇宙学常数（Λ < 0）是否与当前宇宙学观测一致，包括CMB、BAO、H₀和超新星数据？
• RQ2 具有AdS真空（负Λ）的标量场模型能否缓解或解释H₀张力，而不损害早期宇宙一致性？
• RQ3 在使用信息准则和多数据约束时，负Λ模型相较于标准ΛCDM模型在统计上的偏好程度如何？
• RQ4 在结合CMB和BAO数据时，引入R21本地H₀测量是否显著改变暗能量参数的约束？
• RQ5 负Λ模型中暗能量的有效状态方程是否与观测一致，特别是在弦理论自然性背景下？

主要发现

• 在结合CMB、BAO和R21 H₀数据时，wCDMCC模型中负Λ被显著偏好，H₀张力降低至约2σ。
• 对于ΛCDM模型，声学视差参数r_d的约束与Planck-2018结果保持一致，表明早期宇宙物理未受到显著破坏。
• 当Pantheon超新星数据加入CMB后，H₀约束落在R21测量的3σ范围内，显著优于ΛCDM中观察到的5σ张力。
• 完整数据组合（CMB+BAO+H₀+SN）表明，具有AdS真空（负Λ）的模型在观测上一致，且在模型比较指标中表现优于或等同于ΛCDM。
• 结果表明，负Λ（对应于AdS基态）不仅在观测上可行，而且在弦理论背景下可能更具自然性。
• 本研究首次提供了宇宙学证据，表明负Λ可能是暗能量的可行组成部分，可能标志着弦论中AdS真空的物理信号。