[论文解读] Interacting Dark Sectors in Anisotropic Universe: Observational Constraints and $H_{0}$ Tension

Hassan Amirhashchi, Anil Kumar Yadav+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 12

一句话总结

本研究利用观测的哈勃数据、CMB、BAO、SNIa及$H_0$先验，研究了各向异性Bianchi I宇宙中相互作用的暗能量与暗物质。结果表明，无论耦合常数还是变化的耦合模型均倾向于$\Lambda$CDM模型，且相互作用可忽略（$\delta \approx 0$），同时高$H_0 \approx 73.9$ km/s/Mpc的哈勃空间望远镜测量结果无需显著耦合即可自洽，从而在此框架下缓解了$H_0$张力问题。

ABSTRACT

The present study reveals observational constraints on the coupling between dark components of anisotropic Bianchi type I universe. We assume interaction between dark matter and dark energy and split the continuity equation with inclusion of interaction term $Γ$. Two scenarios have been considered (i) when coupling between dark components is constant and (ii) when it is a function of redshift ($z$). Metropolis-Hasting algorithm has been used to perform Monte Carlo Markov Chain (MCMC) analysis by using observational Hubble data obtained from cosmic chronometric (CC) technique, cosmic microwave background (CMB) baryon acoustic oscillation (BAO), Pantheon compilation of Supernovae type Ia (SNIa), their joint combination and a Gaussian prior on the Hubble parameter $H_{0}$. It is obtained that the combination of all databases plus $H_{0}$ prior marginalized over a present dark energy density gives stringent constraints on the current value of coupling as $-0.001<δ<0.041$ in constant coupling model and $-0.042<δ<0.053$ in varying coupling model at 68\% confident level. In general, for both models, we found $ω^{X}\approx -1$ and $δ(δ_{0})\approx 0$ which indicate that still recent data favor uncoupled $Λ$CDM model. Our estimations show that in constant coupling model $(H_{0}=73.9^{+1.5}_{-0.95}, δ=0.023^{+0.017}_{-0.024})$ which naturally leads to consistent value of the Hubble constant. This result is interesting because the previous works show that such a high value of Hubble constant requires the significant value of coupling parameter $δ$. It has been also observed that in the constant coupling model, we do not find any disagreement between the estimated $H_{0}$ and those reported by Hubble space telescope (HST) and large scale structure (LSS) experiments.

研究动机与目标

• 研究各向异性Bianchi I宇宙中暗能量与暗物质耦合的影响。
• 检验暗组分之间的相互作用是否能缓解宇宙学数据中观测到的$H_0$张力。
• 利用多种观测数据集（包括宇宙时钟的哈勃参数测量）约束耦合参数$\delta$。
• 比较常数耦合与红移相关耦合情景在与当前宇宙学观测一致方面的表现。
• 评估宇宙几何各向异性对相互作用暗物质区模型可行性的影响。

提出的方法

• 使用Bianchi I度规建模宇宙，以允许不同空间轴向的各向异性膨胀率。
• 在暗物质与暗能量的连续性方程中引入相互作用项$\Gamma$，并考虑两种情景：常数$\delta$与红移相关$\delta_0(1+z)$。
• 应用Metropolis-Hastings算法进行马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样，以约束模型参数。
• 整合观测数据：哈勃参数测量（OHD）、CMB、BAO、SNIa（Pantheon）及$H_0$的高斯先验。
• 使用$\chi^2$统计量评估模型拟合效果，并计算所有参数的68%可信区间。
• 对所有数据集进行联合似然分析，推导$H_0$、$\omega^X$、$\Omega^m$、$\delta$与$\delta_0$的后验分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在各向异性Bianchi I宇宙中，暗物质与暗能量之间的常数耦合能否缓解$H_0$张力？
• RQ2 红移依赖的耦合是否能更好地与高$H_0$测量值及其他宇宙学数据保持一致？
• RQ3 在各向异性模型中，相互作用强度$\delta$与暗能量状态方程$\omega^X$的观测约束为何？
• RQ4 引入各向异性后，$\Lambda$CDM模型相较于相互作用暗能量模型的偏好是否发生变化？
• RQ5 哈勃空间望远镜测得的高$H_0 \approx 73.9$ km/s/Mpc是否与暗区中最小相互作用一致？

主要发现

• 常数耦合模型给出$H_0 = 73.9^{+1.5}_{-0.95}$ km/s/Mpc与$\delta = 0.023^{+0.017}_{-0.024}$，在1$\sigma$水平下与哈勃空间望远镜测量结果一致。
• 变化耦合模型给出$H_0 = 69.73 \pm 0.67$ km/s/Mpc，与普朗克和大尺度结构数据一致，但未能缓解$H_0$张力。
• 观测数据强烈支持$\omega^X \approx -1$与$\delta \approx 0$，表明无相互作用的$\Lambda$CDM模型更优。
• 常数耦合模型中耦合参数的68%可信区间为$-0.001 < \delta < 0.041$，变化耦合模型中为$-0.042 < \delta_0 < 0.053$。
• 在多数数据组合中，$H_0$与$\omega^X$呈现负相关，当包含R19先验时，$\delta_0$与$\omega^X$呈现微弱负相关。
• 包含R19的联合数据集给出$\Omega^m = 0.3142^{+0.0076}_{-0.012}$与$\Omega^X = 0.686^{+0.012}_{-0.0076}$，与普朗克2018年结果一致。