[论文解读] Limits on Clustering and Smooth Quintessence from the EFTofLSS

Guido D’Amico, Yaniv Donath+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 55被引用 11

一句话总结

该论文利用BOSS、eBOSS、6DF/MGS、Pantheon超新星和Planck数据，将大尺度结构有效场论（EFTofLSS）应用于约束集聚和光滑标量场暗能量模型。通过精确计算具有时间依赖性的红移空间星系功率谱在一阶环图近似下，发现集聚标量场暗能量的方程参数为 w = −1.011+0.053−0.048（68%可信区间），当与Planck数据联合时，w = −1.028+0.037−0.030，强烈支持宇宙学常数模型（w ≈ −1）。

ABSTRACT

We apply the Effective Field Theory of Large-Scale Structure (EFTofLSS) to analyze cosmological models with clustering quintessence, which allows us to consistently describe the parameter region in which the quintessence equation of state $w < - 1$. First, we extend the description of biased tracers in redshift space to the presence of clustering quintessence, and compute the one-loop power spectrum. We solve the EFTofLSS equations using the exact time dependence, which is relevant to obtain unbiased constraints. Then, fitting the full shape of BOSS pre-reconstructed power spectrum measurements, the BOSS post-reconstruction BAO measurements, BAO measurements from 6DF/MGS and eBOSS, the Supernovae from Pantheon, and a prior from BBN, we bound the clustering quintessence equation of state parameter $w=-1.011_{-0.048}^{+0.053}$ at $68\%$ C.L.. Further combining with Planck, we obtain $w=-1.028_{-0.030}^{+0.037}$ at $68\%$ C.L.. We also obtain constraints on smooth quintessence, in the physical regime $w \geq -1$: combining all datasets, we get $-1\leq w < - 0.979$ at $68\%$ C.L.. These results strongly support a cosmological constant.

研究动机与目标

• 将EFTofLSS框架扩展至包含红移空间中具有集聚特性的标量场暗能量模型，允许方程状态参数 w < −1。
• 在精确时间依赖下计算红移空间中的一阶环图星系功率谱，避免使用近似EdS近似。
• 利用一组全面的宇宙学数据集，约束集聚标量场暗能量（w < −1）和光滑标量场暗能量（w ≥ −1）的方程状态参数 w。
• 检验 w ≠ −1 的模型是否能够拟合BOSS功率谱的全形状及其他大尺度结构数据（包括BAO和超新星）。
• 通过结合多个数据集并施加物理解释的 w 先验，提供对暗能量的稳健、无偏约束。

提出的方法

• 将EFTofLSS形式化扩展至包含集聚标量场暗能量，其中标量场声速趋于零（cs² → 0），从而允许 w < −1。
• 推导红移空间中密度（δh）和速度发散（θh）场的微扰展开，包含偏置算符和晕核函数。
• 使用精确的生长因子时间演化 D+(a) 计算一阶环图红移空间星系功率谱，避免使用EdS近似。
• 对时间依赖的格林函数和核函数（如 cδ,1(a)、G(a)、cδ2,Gδ1(a)）进行积分，这些函数源自EFTofLSS形式化。
• 使用BOSS DR12预重建功率谱的全形状、重建后BAO、6DF/MGS、eBOSS Lyα 和 Pantheon 超新星数据。
• 对光滑标量场暗能量施加物理解释的平坦先验 w ≥ −1，并利用Planck 2018 CMB数据进一步约束参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在精确时间依赖下，EFTofLSS框架能否一致地描述集聚标量场暗能量（w < −1）下的星系功率谱全形状？
• RQ2 当结合BOSS、eBOSS、超新星和CMB数据时，集聚标量场暗能量模型对 w 的约束与光滑标量场暗能量模型相比有何差异？
• RQ3 在EFTofLSS方程中引入精确时间演化是否会导致与EdS近似相比显著不同的或更精确的约束？
• RQ4 在施加物理解释先验 w ≥ −1 的情况下，wCDM模型中对 w 的最紧约束是什么？其与宇宙学常数模型相比如何？
• RQ5 在非phantom和phantom暗能量模型下，EFTofLSS能否充分描述红移空间扭曲和偏置效应？

主要发现

• 该论文仅使用大尺度结构和超新星数据，将集聚标量场暗能量的方程状态参数约束为 w = −1.011+0.053−0.048（68%可信区间）。
• 当与Planck 2018 CMB数据联合时，约束进一步收紧为 w = −1.028+0.037−0.030（68%可信区间），强烈支持 w ≈ −1。
• 对于光滑标量场暗能量（w ≥ −1），联合数据集给出约束 −1 ≤ w < −0.979（68%可信区间），排除 w > −0.979。
• 分析表明，使用精确时间演化求解EFTofLSS方程在定量上至关重要，可获得无偏约束，而近似EdS方法则不然。
• 对BOSS功率谱的全形状分析，结合BAO和超新星数据，提供了稳健的、不依赖CMB的 w 约束，支持宇宙学常数模型。
• 结果表明，EFTofLSS框架能够一致地描述集聚和光滑暗能量模型，即使在 w < −1 的区域，只要正确处理时间演化和偏置效应即可。