[论文解读] On the dynamics of a dark sector coupling

Weiqiang Yang, Supriya Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 141被引用 4

一句话总结

本文研究了相互作用暗能量模型中动力学暗区耦合，其中耦合参数和暗能量状态方程均随时间演化。利用CMB、BAO和Pantheon超新星数据，发现早期暗能量和动力学耦合在95%置信水平下存在证据，特定模型可缓解$H_0$和$S_8$张力。

ABSTRACT

Interacting dark energy models may play a crucial role in explaining several important observational issues in modern cosmology and also may provide a solution to current cosmological tensions. Since the phenomenology of the dark sector could be extremely rich, one should not restrict the interacting models to have a coupling parameter which is constant in cosmic time, rather allow for its dynamical behavior, as it is common practice in the literature when dealing with other dark energy properties, as the dark energy equation of state. We present here a compendium of the current cosmological constraints on a large variety of interacting models, investigating scenarios where the coupling parameter of the interaction function and the dark energy equation of state can be either constant or dynamical. For the most general schemes, in which both the coupling parameter of the interaction function and the dark energy equation of state are dynamical, we find $95\%$~CL evidence for a dark energy component at early times and slightly milder evidence for a dynamical dark coupling for the most complete observational data set exploited here, which includes CMB, BAO and Supernova Ia measurements. Interestingly, there are some cases where a dark energy component different from the cosmological constant case at early times together with a coupling different from zero today, can alleviate both the $H_0$ and $S_8$ tension for the full dataset combination considered here. Due to the energy exchange among the dark sectors, the current values of the matter energy density and of the clustering parameter $σ_8$ are shifted from their $Λ$CDM-like values. This fact makes future surveys, especially those focused on weak lensing measurements, unique tools to test the nature and the couplings of the dark energy sector.

研究动机与目标

• 探讨随时间变化的暗物质与暗能量之间耦合的宇宙学影响，突破恒定耦合假设的限制。
• 研究动力学耦合与演化中的暗能量状态方程是否能缓解当前的宇宙学张力，特别是$H_0$和$S_8$张力。
• 使用全面的观测数据，评估同时具有动力学耦合和动力学暗能量状态方程的相互作用模型的贝叶斯证据。
• 考察暗区之间能量交换如何改变$\Omega_{m0}$和$\sigma_8$，进而影响弱引力透镜和大尺度结构的约束。
• 识别非恒定耦合与早期暗能量组分共同作用下，减轻与$H_0$和$S_8$测量结果张力的可行情景。

提出的方法

• 本研究采用一般性相互作用暗能量模型，其耦合函数为$\xi(a) = \xi_0 + \xi_a(1-a)$，允许相互作用强度随时间变化。
• 通过数值求解背景方程和微扰方程，将暗物质与暗能量区之间的能量交换通过相互作用项$Q$纳入模型。
• 利用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法，结合CMB（Planck）、BAO和Pantheon Ia型超新星数据集，推导宇宙学约束。
• 通过贝叶斯证据分析比较恒定耦合与动力学耦合、恒定与演化状态方程的模型，使用贝叶斯因子进行模型选择。
• 将参数空间划分为非稳态（$w < -1$）和类 quintessence（$w > -1$）区域，并应用稳定性准则以确保物理一致性。
• 分析中包含对$\Omega_{m0}$、$\sigma_8$、$H_0$和$S_8$的约束，并明确追踪暗区之间能量流动导致的偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质与暗能量之间的时变耦合能否同时缓解$H_0$和$S_8$张力？
• RQ2 在相互作用暗能量模型中，与恒定耦合相比，动力学耦合的贝叶斯证据如何？
• RQ3 演化中的暗能量状态方程和耦合参数如何影响$\Omega_{m0}$和$\sigma_8$的当前值？
• RQ4 在参数空间的非稳态或类 quintessence 区域中，非零耦合和早期暗能量的最强证据出现在何处？
• RQ5 未来弱引力透镜巡天在多大程度上能独特地揭示暗区相互作用的本质与强度？

主要发现

• 对于同时具有动力学耦合和动力学暗能量状态方程的最一般模型，CMB+BAO+Pantheon数据集在95%置信水平下表明存在早期暗能量组分，且对动力学耦合的证据稍弱。
• 模型$\xi_0\xi_a w_0^p w_e^p$ IDE $Q_A$ 显著缓解了$H_0$和$S_8$张力，非零耦合和早期暗能量组分受到偏好。
• 在非稳态区域（$w_0^p < -1$），模型$\xi_0\xi_a w_0^p w_e^p$ IDE $Q_A$ 在95%置信水平下显示动力学耦合和早期暗能量的证据；而在类 quintessence 区域中未发现相互作用的证据。
• 在非稳态区域的模型B中，95%置信水平下强烈偏好$w < -1$，当结合CMB和Pantheon数据时，68%置信水平下显示$\xi_a \neq 0$。
• 在类 quintessence 区域中，由于能量从暗能量流向暗物质，$\Omega_{m0}$降低而$\sigma_8$升高，但未发现相互作用的证据。
• 仅使用CMB数据时，$\xi_0\xi_a w_0^q w_e^q$ IDE $Q_B$ 模型的$\Omega_{m0}$略高而$\sigma_8$略低，表明由于能量交换，与$\Lambda$CDM相比存在细微偏移。