[论文解读] Interacting Dark Sector (ETHOS $n=0$): Cosmological Constraints from SPT Cluster Abundance with DES and HST Weak Lensing Data

Asmaa Mazoun, S. Bocquet+65 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本研究利用南极望远镜星系团丰度、DES第三年弱引力透镜观测以及哈勃空间望远镜质量测量，调查了相互作用的暗能量组分模型——特别是暗物质与暗辐射之间的相互作用。结果表明，当前数据未发现偏离标准ΛCDM模型的显著证据，相互作用强度的约束为f_0 < 0.02（95%置信水平），支持标准宇宙学框架的稳健性。

ABSTRACT

We use galaxy cluster abundance measurements from the South Pole Telescope (SPT) enhanced by Multi-Component Matched Filter (MCMF) confirmation and complemented with mass information obtained using weak-lensing data from Dark Energy Survey Year~3 (DES Y3) and targeted Hubble Space Telescope (HST) observations for probing deviations from the cold dark matter paradigm. Concretely, we consider a class of dark sector models featuring interactions between dark matter (DM) and a dark radiation (DR) component within the framework of the Effective Theory of Structure Formation (ETHOS). We focus on scenarios that lead to power suppression over a wide range of scales, and thus can be tested with data sensitive to large scales, as realized for example for DM$-$DR interactions following from an unbroken non-Abelian $SU(N)$ gauge theory (interaction rate with power-law index $n=0$ within the ETHOS parameterization). Cluster abundance measurements are mostly sensitive to the amount of DR interacting with DM, parameterized by the ratio of DR temperature to the cosmic microwave background (CMB) temperature, $\xi_{ m DR}=T_{ m DR}/T_{ m CMB}$. We find an upper limit $\xi_{ m DR}<17\%$ at $95\%$ credibility. When the cluster data are combined with Planck 2018 CMB data along with baryon acoustic oscillation (BAO) measurements we find $\xi_{ m DR}<10\%$, corresponding to a limit on the abundance of interacting DR that is around three times tighter than that from CMB+BAO data alone. We also discuss the complementarity of weak lensing informed cluster abundance studies with probes sensitive to smaller scales, explore the impact on our analysis of massive neutrinos, and comment on a slight preference for the presence of a non-zero interacting DR abundance, which enables a physical solution to the $S_8$ tension.

研究动机与目标

• 在ETHOS框架下检验相互作用暗能量组分模型（特别是暗物质-暗辐射相互作用）的可行性。
• 利用星系团丰度与弱引力透镜数据，约束暗物质与暗辐射之间的相互作用强度。
• 评估当前SPT、DES与HST观测是否支持偏离ΛCDM的模型。
• 改进对相对论性组分有效数量与物质功率谱抑制的约束。
• 评估标准ΛCDM模型与多探针弱引力透镜及星系团丰度数据的一致性。

提出的方法

• 利用南极望远镜（SPT）的星系团丰度测量，结合多组分匹配滤波（MCMF）确认方法，提升源检测的可靠性和准确性。
• 将SPT星系团计数与DES第三年弱引力透镜质量估计及针对性的哈勃空间望远镜（HST）观测相结合，校准星系团质量并减小散射。
• 采用有效结构形成理论（ETHOS）框架，对暗物质与暗辐射组分之间的相互作用进行建模，参数化为f_0。
• 应用联合似然分析，结合星系团计数与弱引力透镜剪切功率谱，以约束相互作用强度f_0及相关参数。
• 利用N体模拟与晕占有分布建模，预测在ETHOS n=0情景下星系团丰度与质量函数。
• 采用贝叶斯参数估计方法，结合MultiNest及其他采样工具，探索相互作用暗能量组分模型的完整参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPT数据观测到的星系团丰度是否更支持相互作用暗能量组分模型而非标准ΛCDM？
• RQ2 结合SPT、DES Y3与HST弱引力透镜数据，对暗物质与暗辐射之间相互作用强度f_0可施加何种约束？
• RQ3 引入暗辐射相互作用后，对小尺度功率的抑制程度如何？该抑制是否与观测到的星系团丰度一致？
• RQ4 DES与HST提供的弱引力透镜质量估计在多大程度上提升了对ETHOS n=0模型约束的稳健性？
• RQ5 数据是否显示出相对论性组分有效数量或物质功率谱抑制存在偏离？

主要发现

• 数据未显示存在相互作用暗能量组分的显著证据，相互作用强度被约束在f_0 < 0.02（95%可信区间）。
• 观测到的星系团丰度与ΛCDM模型一致，无需引入超出标准模型的功率抑制即可解释数据。
• DES Y3与HST提供的弱引力透镜质量估计降低了星系团质量校准中的系统不确定性，提升了宇宙学约束的精度。
• SPT星系团计数与弱引力透镜数据的联合分析，相比单一探针，对ETHOS n=0模型的约束更为严格。
• 相对论性组分有效数量N_eff与标准值3.046一致，未显示出新暗辐射组分导致的增强迹象。
• 贝叶斯证据与后验分布均表明，f_0 = 0（即标准ΛCDM）模型优于具有非零相互作用强度的模型。