[论文解读] Generalized early dark energy and its cosmological consequences

Tatsuki Kodama, Takumi Shinohara+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Cosmology and Gravitation TheoriesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文提出了一种广义的早期暗能量（EDE）模型，其中具有幂律或轴子型势能的标量场可根据初始场值和能量标度在不同宇宙时期主导宇宙。研究表明，此类EDE可显著增强随机引力波背景，使其可被LISA和DECIGO探测到，同时放松了为解释NANOGrav 15年信号所需蓝倾斜张量谱的再加热温度限制。

ABSTRACT

We investigate cosmological consequences of a generalized early dark energy (EDE) model where a scalar field behaves as dark energy at various cosmological epochs for a broad range of parameters such as the energy scale and the initial field value. We consider power-law and axion-type potentials for such an EDE field and study how it affects the cosmological evolution. We show that gravitational wave background can be significantly enhanced to be detected in future observations such as LISA and DECIGO in some parameter space. Implications of the EDE model are also discussed for a scenario where a blue-tilted inflationary tensor power spectrum can explain the recent NANOGrav 15-year signal. We argue that the bounds on the reheating temperature can be relaxed compared to the case of the standard thermal history.

研究动机与目标

• 探索广义早期暗能量（EDE）模型在标量场势能和初始条件参数范围广泛情况下的宇宙学后果。
• 研究非二次势能（幂律和轴子型）对EDE动力学和能量密度演化的影响。
• 评估由EDE放大的引力波背景在LISA和DECIGO等未来观测台的可探测性。
• 检验EDE是否能缓解标准热历史与需要蓝倾斜原初张量谱的NANOGrav 15年信号之间的张力。
• 放松标准模型中为拟合NANOGrav信号所需的高度严格再加热温度限制。

提出的方法

• 研究采用具有幂律势能 $ V(\chi) \propto \chi^p $ 和轴子型势能 $ V(\chi) \propto f_a^4 \left(1 - \cos(\chi/f_a)\right) $ 的标量场，变化能量标度 $ V_0 $、初始场值 $ \chi_{\text{ini}} $ 和幂指数 $ p $。
• 通过数值模拟追踪标量场能量密度 $ \rho_\chi \propto a^{-q} $ 的宇宙演化，其中 $ q > 3 $，尤其当 $ q > 4 $ 时，振荡后迅速稀释。
• 利用随机形式计算引力波（GW）谱，其放大程度取决于由EDE场驱动的准 de Sitter 时期持续时间。
• 通过要求 $ f_{\text{EDE,c}} \approx 0.01 $ 和 $ a_c \approx 10^{-4} $ 对模型进行约束，以解决哈勃张力问题。
• 假设原初引力波来自暴胀，计算包含和不包含EDE时拟合NANOGrav 15年信号所需的张量谱指数 $ n_T $ 和再加热温度 $ T_R $，以评估约束的放松程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在初始场值和势能标度参数范围广泛的情况下，广义EDE模型如何影响宇宙演化和能量密度主导？
• RQ2 在何种参数区域内引力波背景显著增强，且可被LISA和DECIGO探测到？
• RQ3 广义EDE模型能否将拟合NANOGrav 15年信号所需的张量谱指数 $ n_T $ 降低至不违反Boltzmann核合成（BBN）约束的范围？
• RQ4 EDE的存在如何放松为解释NANOGrav信号所需满足的再加热温度限制？
• RQ5 非二次势能（如幂律、轴子型）对早期暗能量的动力学和宇宙学影响有何影响？

主要发现

• 对于幂律势能，当 $ \chi_{\text{ini}} \approx 0.1\,M_{\text{pl}} $ 且 $ V_0^{1/4} \sim 10^{-9}\,\text{GeV} $ 时，可实现 $ f_{\text{EDE,c}} \approx 0.01 $ 和 $ a_c \approx 10^{-4} $，满足解决哈勃张力的条件。
• 对于轴子型势能，当 $ \chi_{\text{ini}}/f_a \approx 0.9\pi $ 且 $ V_0^{1/4} \sim 10^{-8}\,\text{GeV} $ 时，可获得类似的EDE主导和哈勃张力缓解效果。
• 当EDE主导时（$ f_{\text{EDE}} > 0.5 $），引力波谱显著增强，其放大主要由 $ \chi_{\text{ini}} $ 控制，后者决定了准 de Sitter 阶段的持续时间。
• 存在参数区域使得引力波背景可被LISA和DECIGO探测到，尤其当 $ \chi_{\text{ini}} \gtrsim 0.1\,M_{\text{pl}} $ 且 $ V_0 $ 较低时，如图7所示。
• 在EDE存在下，为拟合NANOGrav 15年信号，所需张量谱指数 $ n_T $ 显著降低：$ p = 6 $ 时为 $ n_T = 1.69 $，$ p = 8 $ 时为 $ n_T = 1.62 $，$ p = \infty $ 时为 $ n_T = 1.59 $，而标准模型中 $ n_T \approx 1.8 $。
• 再加热温度限制从标准情况下的 $ T_R < 10\,\text{GeV} $ 放松至 $ p = 6 $ 时为 $ T_R = 150\,\text{GeV} $，$ p = 8 $ 时为 $ T_R = 400\,\text{GeV} $，$ p = \infty $ 时为 $ T_R = 1.59\,\text{GeV} $，使模型更具可行性。