[论文解读] Relieve the $H_0$ tension with a new coupled generalized three-form dark energy model

Yan-Hong Yao, Xin-He Meng|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种耦合广义三形式暗能量模型，通过引入与暗物质共形耦合的非规范三形式场，缓解了H₀张力问题。该模型得到H₀ = 70.1⁻¹.⁵⁺¹.⁴ km/s/Mpc，与R19局部测量结果在2.0σ水平下一致，且表现出类似Quintom的暗能量行为，早期状态方程为正，相较于ΛCDM及其他变体，在张力减小方面表现更优。

ABSTRACT

In this work we propose a new coupled generalized three-form dark energy model, in which dark energy are represented by a three-form field and other components are represented by ideal fluids. We first perform a dynamical analysis on the new model and obtain four fixed points, including a saddle point representing a radiation dominated Universe, a saddle point representing a matter dominated Universe, and two attractors representing two dark energy dominated Universes. We then use the observational data, including cosmic microwave background (CMB) data, baryon acoustic oscillations (BAO) data, and Type Ia supernovae (SN Ia) data to constrain the model parameters of the coupled generalized three-form dark energy model. For comparison, we also consider the coupled three-form dark energy model, generalized three-form dark energy model, and $Λ$CDM model, we find that the coupled generalized three-form dark energy model is the only one model that can reduce the $H_0$ tension to a more acceptable level, with $H_0=70.1_{-1.5}^{+1.4}$ km/s/Mpc, which is consistent with R19 at $2.0σ$ confidence level. We also investigate the best-fit dynamical behavior of the coupled generalized three-form dark energy model, and show that our model is equivalent to a quintom dark energy model, in which dark energy, at early epoch, behaves like some form of early dark energy with a small positive equation of state.

研究动机与目标

• 为解决Planck CMB数据（H₀ ≈ 67.4 km/s/Mpc）与本地距离阶梯测量（R19：H₀ ≈ 74 km/s/Mpc）之间持续存在的H₀张力问题。
• 探讨具有共形耦合的广义三形式暗能量场是否能比标准模型更有效地缓解H₀张力。
• 研究该模型的动力学行为，特别是其有效状态方程及其在整个宇宙历史中的演化。
• 利用观测数据将耦合广义三形式模型与耦合三形式、广义三形式及ΛCDM模型进行对比。

提出的方法

• 通过变分法对流体组分进行建模，构建具有非规范三形式场和与暗物质共形耦合的耦合广义三形式暗能量模型。
• 进行动力系统分析，识别固定点，包括辐射主导和物质主导时期的鞍点，以及暗能量主导时期的两个吸引子。
• 利用马尔可夫链蒙特卡洛采样方法，基于Planck 2018压缩CMB、BAO和JLA SN Ia数据集约束模型参数。
• 通过归一化能量密度比计算暗能量的有效状态方程，并对红移进行积分以追踪其演化过程。
• 使用AIC和最佳拟合H₀与R19之间的张力显著性（σ）比较模型性能，评估拟合优度。
• 重建哈勃参数和有效暗能量密度，以评估模型是否与Quintom类行为等价，即具有早期正状态方程和晚期幻影行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 耦合广义三形式暗能量模型能否将H₀张力降低至低于ΛCDM及其他变体中观测到的4.5σ水平？
• RQ2 在耦合广义三形式模型中，暗能量的有效状态方程如何演化，特别是在早期？
• RQ3 该耦合广义三形式模型在辐射、物质和暗能量各时期是否具有动力学稳定性并符合宇宙学观测？
• RQ4 该模型的行为是否类似于Quintom模型，即具有早期类似暗能量的正状态方程和晚期幻影行为？
• RQ5 该模型在拟合优度和张力减小方面相较于耦合三形式、广义三形式及ΛCDM模型表现如何？

主要发现

• 该耦合广义三形式暗能量模型将H₀张力降低至2.0σ，得到H₀ = 70.1⁻¹.⁵⁺¹.⁴ km/s/Mpc，与R19局部测量结果一致。
• 在所有测试模型中，仅该耦合广义三形式模型在2.0σ水平下可接受张力，其余模型仍保持在4.1σ或以上。
• 该模型表现出类似Quintom的行为，早期（z ≳ 30）暗能量具有微小正值状态方程，表明具有早期暗能量特征。
• 暗能量的有效状态方程从高红移时的正值演化为低红移时低于-1的值，证实了Quintom类动力学行为。
• 该模型的AIC表现更优（693.321），优于ΛCDM（696.732），表明尽管拟合质量相近，但模型比较指标更优。
• 动力系统分析确认了暗能量主导时期的两个稳定吸引子，确保了与晚期宇宙加速膨胀的长期一致性。