[论文解读] Finslerian Universe May Reconcile Tensions between High and Low Redshift Probes

Deng Wang, Xin-He Meng|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出基于Berwald型Finsler几何的Finsler宇宙学模型，以调和高红移与低红移观测之间的H₀和σ₈张力。通过在修正的Friedmann方程中引入有效暗物质和暗能量组分，该模型将H₀张力从3.4σ降低至1.9σ，并缓解了σ₈张力，其中加入惰性中微子的扩展模型（Fₛν）表现最佳，且贝叶斯证据支持Finsler宇宙学模型优于ΛCDM模型。

ABSTRACT

To reconcile the current tensions between high and low redshift observations, we perform the first constraints on the Finslerian cosmological models including the effective dark matter and dark energy components. We find that all the four Finslerian models could alleviate effectively the Hubble constant ($H_0$) tension and the amplitude of the root-mean-square density fluctuations ($σ_8$) tension between the Planck measurements and the local Universe observations at the 68$\%$ confidence level. The addition of a massless sterile neutrino and a varying total mass of active neutrinos to the base Finslerian two-parameter model, respectively, reduces the $H_0$ tension from $3.4σ$ to $1.9σ$ and alleviates the $σ_8$ tension better than the other three Finslerian models. Computing the Bayesian evidence, with respect to $Λ$CDM model, our analysis shows a weak preference for the base Finslerian model and moderate preferences for its three one-parameter extensions. Based on the model-independent Gaussian Processes, we propose a new linear relation which can describe the current redshift space distortions data very well. Using the most stringent constraints we can provide, we have also obtained the limits of typical model parameters for three one-parameter extensional models.

研究动机与目标

• 为解决Planck CMB数据与SNIa和RSD等本地低红移探测之间的持续H₀与σ₈张力问题。
• 检验Finsler几何（特别是Berwald型Finsler时空）是否能作为ΛCDM的可行替代方案，以解决这些张力问题。
• 利用宇宙学数据约束Finsler FRW模型中的有效暗能量与暗物质组分。
• 基于高斯过程提出一种新的、与模型无关的红移空间畸变（RSD）线性关系。
• 通过贝叶斯证据评估Finsler宇宙学模型相较于ΛCDM模型的可行性及其当前数据支持程度。

提出的方法

• 形式化基于具有有效参数α和β的Finsler-Berwald FRW度规，推广标准Friedmann方程。
• 通过Randers-Finsler几何中的修正色散关系推导出有效哈勃参数E²(z)，并引入状态方程为ω的暗能量。
• 利用Planck CMB、Riess H₀、BAO和RSD数据（PRO数据集）联合约束宇宙学参数。
• 应用高斯过程重构方法从RSD数据中推导出新的现象学线性关系（LR），用于描述fσ₈(z)的演化。
• 通过贝叶斯证据（贝叶斯因子）进行模型比较，评估Finsler宇宙学模型相较于ΛCDM及其扩展模型的偏好程度。
• 通过引入一个无质量惰性中微子（Fₛν）并变化活性中微子质量（Fν）扩展中微子 sector，从H₀与σ₈张力中导出约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 Finsler宇宙学模型能否有效降低Planck与本地测量之间的H₀张力？
• RQ2 同一模型能否缓解高红移CMB与低红移大尺度结构巡天之间观测到的σ₈张力？
• RQ3 在Finsler框架中引入惰性中微子或可变活性中微子质量，是否能相比基线模型进一步缓解张力？
• RQ4 是否存在贝叶斯证据支持Finsler宇宙学模型优于标准ΛCDM模型？
• RQ5 能否从高斯过程重构中导出一种与模型无关的RSD数据线性关系，准确描述当前观测？

主要发现

• 包含无质量惰性中微子的Finsler模型（Fₛν）将H₀张力从3.4σ降低至68%置信水平下的1.9σ。
• Fν模型（允许总活性中微子质量可变）在所有四种测试的Finsler模型中对σ₈张力的缓解效果最佳。
• 贝叶斯证据显示，对基础Finsler模型（FΛ）呈现弱偏好，对其单参数扩展模型（Fω、Fν、Fsν）则呈现中等偏好，优于ΛCDM模型。
• Fω模型中有效暗能量状态方程被约束为ω = −1.00017⁺⁰.⁰⁰⁰⁹⁰₋₀.⁰⁰⁰⁶⁹，其精度高于Planck的ω = −1.006 ± 0.045，且与w = −1一致。
• Fν模型在简并简并层次下对总活性中微子质量给出95%置信上限Σmν < 0.186 eV，超过Planck的0.1 eV上限。
• Fsν模型在超过3σ置信水平下排除了完全热化中微子（ΔNeff ≈ 1），表明对相对论性组分有强约束。