[论文解读] $Λ_{ m s}$CDM model: A promising scenario for alleviation of cosmological tensions

Özgür Akarsu, Eleonora Di Valentino+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 15

一句话总结

本文分析了 Λ_sCDM 模型，该模型在红移 z_† ≈ 1.7–2 时引入符号翻转的宇宙常数，表明它可以缓解 H0、MB 和 S8 的紧张问题，同时拟合 Planck、BAOtr、PantheonPlus、SH0ES 和 KiDS-1000 数据。在大多数数据组合中，它对比 ΛCDM 获得强烈的贝叶斯证据。

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of the $Λ_{ m s}$CDM model, which explores the recent conjecture suggesting a rapid transition of the Universe from anti-de Sitter vacua to de Sitter vacua (viz., the cosmological constant switches sign from negative to positive) at redshift ${z_\dagger\sim 2}$, inspired by the graduated dark energy (gDE) model. Our analysis shows that, predicting $z_\dagger\approx1.7$, $Λ_{ m s}$CDM simultaneously addresses the major cosmological tensions of the standard $Λ$CDM model, viz., the Hubble constant $H_0$, the Type Ia Supernovae absolute magnitude $M_{ m B}$, and the growth parameter $S_8$ tensions, along with other less significant tensions such as the BAO Lyman-$α$ discrepancy.

研究动机与目标

• 动机：由于日益增多的宇宙学紧张问题（H0、MB、S8 等），需要对 ΛCDM 的替代方案。
• 引入并测试一个符号翻转的宇宙常数模型（ΛsCDM），在晚期约 z†~2 处发生转变。
• 将模型与多组数据集（Planck CMB、2D BAO、PantheonPlus 超新星、SH0ES、KiDS-1000）进行比较，并与 ΛCDM 进行对比。
• 进行贝叶斯模型比较，以量化 ΛsCDM 相对于 ΛCDM 的统计支持。

提出的方法

• 用符号翻转的 Λs 经验替代 Λ，其中 Λs ≡ Λs0 sgn[z†−z]。
• 参数空间：基线 {ωb, ωc, θs, As, ns, τreio, z†}，使用 CLASS+MontePython 分析。
• 数据组合：Planck、Planck+BAOtr、Planck+BAOtr+PP、Planck+BAOtr+PP&SH0ES、Planck+BAOtr+PP&SH0ES+KiDS-1000。
• 使用 HMcode 计算非线性物质幂谱，同时修改晚期 H(z)。
• 通过 MCEvidence 计算贝叶斯证据，以比较 ΛsCDM 与 ΛCDM（使用 Trotta 的 Jeffreys 标度）。

Figure 1: 2D contours at 68% and 95% CLs in the $H_{0}$ - $\Omega_{\rm m}$ plane for the $\Lambda_{\rm s}$ CDM and $\Lambda$ CDM models from the Planck and/or BAOtr data. It deserves mention that, in case of $\Lambda_{\rm s}$ CDM, the Planck and BAOtr contours intersect right on the vertical band of

实验结果

研究问题

• RQ1 晚期的符号翻转宇宙常数是否能够同时缓解 H0、MB 和 S8 的紧张？
• RQ2 在使用 2D BAO 数据时，哪个 redshift(z†) 最能使 Planck CMB 约束与低 redshift 测量相一致？
• RQ3 PantheonPlus 与 SH0ES 的先验是否会改变 ΛsCDM 中偏好的 z† 和 H0，同时仍与 Ly-α 与其他 BAO 数据一致？
• RQ4 在多组数据组合下，ΛsCDM 是否在统计上优于 ΛCDM？
• RQ5 ΛsCDM 是否维持再重组前物理过程的标准性，并与 BBN、Ly-α 和年龄约束保持一致？

主要发现

• 结合 Planck+BAOtr，z† = 1.70^{+0.09}_{−0.19}, H0 = 73.3^{+1.2}_{−1.0} km/s/Mpc，与 SH0ES 测量结果一致。
• PantheonPlus 数据（有/无 SH0ES 先验）给出 z† ≈ 1.87^{+0.13}_{−0.21}，H0 ≈ 71.7 km/s/Mpc，MB 与 SH0ES 一致，解决 MB 紧张。
• ΛsCDM 预测的 S8 值与 Planck 和 KiDS-1000 一致（Planck ≈0.80–0.83，KiDS-1000 ≈0.746），表明该模型中不存在 S8 紧张。
• 对于所有包含 BAOtr 的数据组合，ΛsCDM 提供的拟合优于 ΛCDM，在大多数情况下具有强到非常强的贝叶斯证据。
• 该模型保留再重组前物理过程（阻滞红移、声学哈里斯、Yp、ωb），并给出年龄 t0 ≈ 13.522 Gyr，与独立估计一致。

Figure 3: The mean values with 68% CL on $H_{0}$ for the $\Lambda_{\rm s}$ CDM and $\Lambda$ CDM models from various data combinations. The left vertical band stands for Planck- $\Lambda$ CDM constraint: $H_{0}=67.36\pm 0.54{\rm\,km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ , and the right one is for the latest SH0ES mea