[论文解读] Early dark energy induced by non-linear electrodynamics

H. B. Benaoum, Luz Ángela García+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出了一种由非线性电动力学（NLED）产生的早期暗能量模型，其中偏离麦克斯韦电动力学的程度由非零参数 β 衡量，从而在早期宇宙中诱导出一个瞬态暗能量组分。该模型缓解了哈勃常数与 σ₈ 矛盾，预测 H₀ = 70.2 ± 0.9 km/s/Mpc 与 σ₈ = 0.798 ± 0.007，与早期和晚期观测结果一致。

ABSTRACT

In this work, we introduce a parametrization of early dark energy that mimics radiation at early times and governs the present acceleration of the Universe. We show that such parametrization models non-linear electrodynamics in the early Universe and investigate the cosmological viability of the model. In our scenario, the early dark energy is encoded in the non-linearity of the electromagnetic fields through a parameter $β$ that changes the Lagrangian of the system, and the parameters $γ_s$ and $α$, that define the departure from the standard model constant equation of state. We use a Bayesian method and the modular software extsc{CosmoSIS} to find the best values for the model's free parameters with precomputed likelihoods from Planck 2018, primordial nucleosynthesis data, inferred distances from different wide galaxy surveys and luminosity distances of SNIa from Pantheon and SH0ES, such that $γ_s =$ 0.468 $\pm$ 0.026 and $α=$ -0.947 $\pm$ 0.032, as opposed to $Λ$CDM where $γ_s = β=$ 0 and there is no equivalence for the $α$ parameter. Our results predict an earlier formation of the structure and a shorter age of the Universe compared with the canonical cosmological model. One of the main findings of our work is that this kind of dark energy alleviates the ongoing tensions in cosmology, the Hubble tension and the so-called $σ_8$ tension, which predicted values by our model are H$_o =$ 70.2 $\pm$ 0.9 km/s/Mpc and $σ_8 =$ 0.798 $\pm$ 0.007. The reported values lie between the inferred values inferred from early and late (local) Universe observations. Future observations will shed light on the nature of the dark energy, its impact on the structure formation, and its dynamics.

研究动机与目标

• 通过引入一个动态的早期暗能量组分，解决宇宙学中的哈勃常数与 σ₈ 矛盾。
• 探讨非线性电动力学（NLED）是否能在早期宇宙中自然生成早期暗能量。
• 检验从 NLED 框架推导出的唯象早期暗能量模型的宇宙学可行性。
• 利用涵盖普朗克2018、BBN、BAO、SNIa 与本地距离测量的全面宇宙学数据集，约束模型参数。
• 与 ΛCDM 模型对比，评估该模型对结构形成与宇宙膨胀历史的影响。

提出的方法

• 提出一种早期暗能量的广义参数化形式，其在高红移时表现如辐射，在晚期驱动加速膨胀。
• 将早期暗能量建模为源自非线性电动力学，其拉格朗日量通过非线性参数 β 修改，该参数与 γₛ 和 α 相关联。
• 使用贝叶斯推断方法，借助 CosmoSIS 模块化软件，将模型拟合至普朗克2018、BBN、BAO、Pantheon SNIa 与 SH0ES 的预计算似然函数。
• 通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，推导出对 γₛ、α、Ω_de,o 与 β 的约束，其中 β 衡量了对麦克斯韦电动力学的偏离程度。
• 计算关键宇宙学可观测量，如 R_CMB、H₀、σ₈ 与 S₈，以检验其与观测的一致性。
• 与 ΛCDM 模型对比，特别关注物质-辐射相等时刻与结构形成过程。

Figure 1: Evolution of the energy densities $\Omega(a)$ for radiation, matter and dark energy for $\gamma_{s}=10^{-3}$ and $\alpha=0.25$ . Here $\Omega_{r,o}=10^{-4}$ , $\Omega_{m,o}=0.3$ and $\Omega_{de,o}=1-\Omega_{m,o}-\Omega_{r,o}$ .

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性电动力学是否能自然生成一个可缓解当前宇宙学矛盾的早期暗能量组分？
• RQ2 定义标准模型状态方程偏离程度的参数 γₛ 与 α 如何影响哈勃参数与宇宙膨胀历史？
• RQ3 源自电动力学的非线性参数 β 在多大程度上影响早期结构形成与声学尺度？
• RQ4 该模型是否预测出介于早期与晚期观测之间的哈勃常数与 σ₈ 值，从而解决哈勃常数与 σ₈ 矛盾？
• RQ5 该模型对 R_CMB 的预测与普朗克数据相比如何？这对早期结构形成意味着什么？

主要发现

• 模型的最佳拟合值为 γₛ = 0.468 ± 0.026 与 α = -0.947 ± 0.032，表明与 ΛCDM 模型（其中 γₛ = β = 0）存在显著偏离。
• 非线性参数 β 被约束为 0.015 ± 0.008，证实其对麦克斯韦电动力学存在非零偏离，支持早期暗能量源于 NLED 的假设。
• 预测的哈勃常数为 H₀ = 70.2 ± 0.9 km/s/Mpc，介于普朗克2018结果（67.4 ± 0.5）与 SH0ES 本地测量值（73.04 ± 1.04）之间，从而缓解了哈勃常数矛盾。
• 预测的 σ₈ 参数为 0.798 ± 0.007，与 KiDS 与 2dFLenS 等弱引力透镜巡天结果一致，且介于普朗克推断值与晚期测量值之间。
• S₈ 参数估计为 0.758 ± 0.007，与近期弱引力透镜数据一致，且介于普朗克与晚期测量值之间，减轻了 S₈ 矛盾。
• 该模型预测物质-辐射相等更早发生，且结构形成速度更快，表现为 R_CMB = 1.61⁺⁰.²³₋₀.₀₄ 偏低，与早期暗能量效应一致。

Figure 2: Evolution of the energy density for dark energy $\Omega_{de}(a)$ for $\alpha=0.25$ and different values of $\gamma_{s}$ . Here $\Omega_{r,o}=10^{-4}$ , $\Omega_{m,o}=0.3$ and $\Omega_{de,o}=1-\Omega_{m,o}-\Omega_{r,o}$ .