[论文解读] Probing elastic interactions in the dark sector and the role of $S_8$

Jose Beltrán Jiménez, Dario Bettoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在两种模型——理想流体模型与动力学暗能量模型——中，暗能量与暗物质之间的弹性相互作用，表明此类相互作用可缓解哈勃参数（H₀）与σ₈张力。通过引入低红移数据给出的S₈约束，模型倾向于非零耦合，表明暗区内的动量交换可能解决关键的宇宙学张力问题。

ABSTRACT

We place observational constraints on two models within a class of scenarios featuring an elastic interaction between dark energy and dark matter that only produces momentum exchange up to first order in cosmological perturbations. The first one corresponds to a perfect-fluid model of the dark components with an explicit interacting Lagrangian, where dark energy acts as a dark radiation at early times and behaves as a cosmological constant at late times. The second one is a dynamical dark energy model with a dark radiation component, where the momentum exchange covariantly modifies the conservation equations in the dark sector. Using Cosmic Microwave Background (CMB), Baryon Acoustic Oscillations (BAO), and Supernovae type Ia (SnIa) data, we show that the Hubble tension can be alleviated due to the additional radiation, while the $σ_8$ tension present in the $Λ$-Cold-Dark-Matter model can be eased by the weaker galaxy clustering that occurs in these interacting models. Furthermore, we show that, while CMB+BAO+SnIa data put only upper bounds on the coupling strength, adding low-redshift data in the form of a constraint on the parameter $S_8$ strongly favours nonvanishing values of the interaction parameters. Our findings are in line with other results in the literature that could signal a universal trend of the momentum exchange among the dark sector.

研究动机与目标

• 解决普朗克CMB与局部测量（如SH0ES）之间哈勃参数（H₀）的差异问题。
• 研究ΛCDM模型中的σ₈张力，即CMB与低红移星系团聚探测在物质涨落幅度上的不一致。
• 探索暗能量与暗物质之间的弹性动量交换是否能同时缓解上述两种张力。
• 评估S₈参数作为区分相互作用暗区模型的判别器的作用。
• 利用CMB、BAO、SnIa及低红移S₈数据评估这些模型的可行性，重点关注耦合强度的观测约束。

提出的方法

• 构建两种相互作用暗区模型：一种是具有显式拉格朗日量的理想流体模型，另一种是具有协变动量交换的动力学暗能量模型。
• 在CAMB与CLASS的改进版本中实现这些模型，用于宇宙学参数估计。
• 利用线性微扰理论推导包含一阶动量交换的暗物质与暗能量的修正守恒方程。
• 使用组合数据集约束模型参数：CMB（Planck 2018）、BAO、SnIa（Pantheon）及低红移S₈测量值。
• 采用贝叶斯推断计算后验分布，并评估非零耦合的显著性。
• 与ΛCDM模型比较，评估张力缓解效果及模型偏好度。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗能量与暗物质之间的弹性相互作用能否缓解CMB与局部测量之间哈勃参数（H₀）的差异？
• RQ2 此类相互作用在多大程度上可减轻ΛCDM模型中观测到的σ₈张力？
• RQ3 将低红移星系团聚探测给出的S₈数据纳入后，对相互作用强度的约束有何影响？
• RQ4 当所有观测数据综合使用时，这些相互作用模型是否在整体上表现出对ΛCDM的一致偏好？
• RQ5 非线性结构形成对这些模型中线性微扰理论结果有效性的潜在影响是什么？

主要发现

• 在相互作用模型中引入暗辐射组分，可通过提高早期宇宙的膨胀速率，有助于缓解哈勃张力。
• 相互作用模型中较弱的星系团聚特性降低了σ₈值，从而缓解了与低红移团聚测量之间的张力。
• 尽管仅使用CMB+BAO+SnIa数据仅能提供耦合强度的上限，但加入S₈约束后强烈支持非零相互作用参数。
• 结果与其他研究一致，表明暗区中存在动量交换的普遍趋势。
• 这些模型对背景演化及引力势与密度场之间标准关系的修改极小，表明在大尺度上与ΛCDM保持一致。
• 未来对生长率数据及完整功率谱形状的约束，有望进一步检验这些模型，尤其是因其在低红移处独特的生长演化行为。