[论文解读] Observational constraints and dynamical analysis of Kaniadakis horizon-entropy cosmology

A. Hernández-Almada, Genly León+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 92被引用 60

一句话总结

本文研究了卡尼亚达基斯视界-熵宇宙学，这是一种基于卡尼亚达基斯熵的引力-热力学猜想所导出的修正引力模型，引入了有效暗能量项。利用观测数据（H(z)、SNIa、HII星系、强引力透镜SLS、BAO）进行贝叶斯MCMC分析，发现卡尼亚达基斯参数≈0，哈勃常数h≈0.708，转变红移z_T≈0.715，表明可能缓解H₀张力。相空间分析证实晚期暗能量主导，并排除了反弹解。

ABSTRACT

We study the scenario of Kanadiakis horizon entropy cosmology which arises from the application of the gravity-thermodynamics conjecture using the Kaniadakis modified entropy. The resulting modified Friedmann equations contain extra terms that constitute an effective dark energy sector. We use data from Cosmic chronometers, Supernova Type Ia, HII galaxies, Strong lensing systems, and Baryon acoustic oscillations observations and we apply a Bayesian Markov Chain Monte Carlo analysis to construct the likelihood contours for the model parameters. We find that the Kaniadakis parameter is constrained around 0, namely, around the value where the standard Bekenstein-Hawking is recovered. Concerning the normalized Hubble parameter, we find $h=0.708^{+0.012}_{-0.011}$, a result that is independently verified by applying the $\mathbf{\mathbb{H}}0(z)$ diagnostic and, thus, we conclude that the scenario at hand can alleviate the $H_0$ tension problem. Regarding the transition redshift, the reconstruction of the cosmographic parameters gives $z_T=0.715^{+0.042}_{-0.041}$. Furthermore, we apply the AICc, BIC and DIC information criteria and we find that in most datasets the scenario is statistical equivalent to $\Lambda$CDM one. Moreover, we examine the Big Bang Nucleosynthesis (BBN) and we show that the scenario satisfies the corresponding requirements. Additionally, we perform a phase-space analysis, and we show that the Universe past attractor is the matter-dominated epoch, while at late times the Universe results in the dark-energy-dominated solution. Finally, we show that Kanadiakis horizon entropy cosmology accepts heteroclinic sequences, but it cannot exhibit bounce and turnaround solutions.

研究动机与目标

• 将卡尼亚达基斯视界-熵宇宙学与包括H(z)、SNIa、HII星系、强引力透镜和BAO在内的观测数据进行对比。
• 利用贝叶斯马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法约束卡尼亚达基斯参数β和哈勃参数h。
• 通过信息准则（AICc、BIC、DIC）评估模型的可行性，并与ΛCDM模型进行比较。
• 进行动力系统分析，以确定平衡点的稳定性及宇宙的晚期行为。
• 研究该模型是否能支持反弹或转折解。

提出的方法

• 利用卡尼亚达基斯修正熵的引力-热力学猜想，推导出包含有效暗能量项的修正弗里德曼方程。
• 使用观测数据集：宇宙时钟（H(z)）、SNIa、HII星系、强引力透镜系统（SLS）和BAO，以约束模型参数。
• 进行贝叶斯MCMC分析，计算似然轮廓并提取β、h和Ωₘ⁰的后验分布。
• 通过将弗里德曼方程转化为一维自治系统，开展动力系统分析，识别平衡点及其稳定性。
• 应用H₀(z)诊断方法，独立验证哈勃参数的约束。
• 使用信息准则（AICc、BIC、DIC）比较该模型与ΛCDM的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 卡尼亚达基斯视界-熵宇宙学能否缓解普朗克和SH0ES测量中观测到的H₀张力？
• RQ2 卡尼亚达基斯参数β和归一化哈勃参数h的观测约束是什么？
• RQ3 该模型的动力学行为与ΛCDM相比如何，特别是在平衡点和晚期吸引子方面？
• RQ4 该模型是否支持反弹或转折解，其宇宙学演化相空间结构如何？
• RQ5 在使用AICc、BIC和DIC进行统计拟合优度比较时，该模型与ΛCDM相比如何？

主要发现

• 卡尼亚达基斯参数β被约束为β≈0，表明在该模型极限下恢复了标准的贝肯斯坦-霍金熵。
• 归一化哈勃参数被约束为h = 0.708⁺⁰.⁰¹²₋₀.⁰¹₁（当Λ≠0时），比普朗克值低2.67σ，比SH0ES值低1.74σ，表明可能缓解H₀张力。
• 从减速到加速的转变红移为z_T = 0.715⁺⁰.⁰⁴²₋₀.⁰⁴¹，与ΛCDM在1σ范围内一致。
• AICc表明卡尼亚达基斯模型与ΛCDM在统计上等价，BIC则强烈表明该模型不成立，DIC显示其结果取决于数据集，存在中等到强的张力。
• 相空间分析证实物质主导时期为过去吸引子，暗能量主导解为晚期吸引子，且不存在稳定的反弹或转折解。
• 该模型支持异宿轨序列，但由于相空间中缺乏必要的动力学条件，无法表现出反弹或转折行为。