[论文解读] The Sigma-8 Tension is a Drag

Vivian Poulin, José Luis Bernal+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Mechanics and Biomechanics Studies被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种暗物质-暗能量（DM-DE）拖拽相互作用，可在低红移（$z \lesssim 1$）抑制物质聚集，通过降低$\sigma_8$而不改变背景膨胀历史来缓解$S_8$张力。该模型在物质-暗能量相等红移处偏好非零拖拽，与宇宙弱引力透镜数据达到$\sim 3\sigma$一致性，同时与高红移CMB测量结果相容。

ABSTRACT

Measurements of weak gravitational lensing at low redshifts ($z\lesssim 0.5-1$), quantified by the parameter $S_8$, favor weaker matter clustering than that expected from the standard $Λ$CDM cosmological model with parameters determined by cosmic microwave background (CMB) measurements. However, the amplitude of matter clustering at higher redshifts, as probed by lensing of the CMB, is consistent with $Λ$CDM. This apparent paradox suggests a connection between the $S_8$ tension and the transition from matter to dark-energy domination. Here we show that the tension can be resolved by introducing a friction between dark matter and dark energy without altering the tightly constrained expansion history. The low-$S_8$ measurements favor (at $\gtrsim3σ$, in this one parameter model) a non-zero drag leading to a suppression of low-redshift power right around the transition from matter to dark-energy domination. We suggest ways to further probe the scenario.

研究动机与目标

• 解决$\Lambda$CDM框架下低红移弱引力透镜测量与高红移CMB约束之间的$S_8$张力问题。
• 探究低红移暗物质与暗能量之间相互作用是否能在不改变背景膨胀历史的前提下抑制聚集幅度。
• 研究该相互作用启动时间（接近物质-暗能量相等红移）是否能为宇宙巧合问题提供自然解释。
• 通过宇宙学数据评估DM-DE拖拽模型的可行性，特别是来自宇宙弱引力透镜和CMB弱引力透镜的$S_8$测量。
• 识别未来观测探针，以区分该模型与标准$\Lambda$CDM模型以及如重子效应等其他解决方案。

提出的方法

• 引入一种现象学的暗物质与暗能量之间的拖拽力，以摩擦系数$\gamma$参数化，仅在低红移时有效。
• 求解修改后的爱因斯坦方程与流体方程，计算在DM-DE拖拽模型下物质功率谱和$S_8 = \sigma_8 (\Omega_m/0.3)^{0.5}$。
• 利用宇宙学数据（包括宇宙弱引力透镜、CMB弱引力透镜和星系聚集）约束拖拽强度与启动红移。
• 进行贝叶斯分析，将DM-DE拖拽模型与$\Lambda$CDM进行比较，发现对非零拖拽有$\sim 3\sigma$偏好。
• 预测增长速率$f\sigma_8(z)$的演化，并与6dFGS、SDSS MGS和BOSS DR12/16的观测结果进行比较。
• 探索其他特征，如修正的本征对齐、积分萨克斯-沃尔夫效应，以及暗物质与重子之间的速度偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 低红移暗物质与暗能量之间的拖拽是否能抑制物质聚集幅度，从而缓解$S_8$张力？
• RQ2 拖拽启动时间（接近物质-暗能量相等红移）是否能为宇宙巧合问题提供自然解释？
• RQ3 DM-DE拖拽模型如何影响增长速率$f\sigma_8(z)$？其与当前大尺度结构数据是否一致？
• RQ4 除$S_8$外，该模型还具有哪些可观测特征，可将其与$\Lambda$CDM和重子反馈效应区分开来？
• RQ5 未来对本征对齐、与CMB弱引力透镜的交叉相关性，或潮汐流形态的观测能否探测到DM-DE拖拽的预测效应？

主要发现

• 在拟合来自宇宙弱引力透镜的低红移$S_8$测量时，DM-DE拖拽模型相对于$\Lambda$CDM模型获得$\sim 3\sigma$偏好。
• 该模型偏好非零拖拽系数，且相互作用恰好在物质-暗能量相等红移附近（$z \sim 0.5$）开始生效。
• DM-DE模型预测的$f\sigma_8(z)$演化与6dFGS、SDSS MGS和BOSS DR12/16调查的当前数据一致，显示出在低$z$处的抑制。
• 低红移功率的抑制与观测到的$S_8$张力一致，同时保持与高红移CMB及CMB弱引力透镜数据的符合。
• 该模型预测由于差异性坍缩，暗物质与重子之间存在微小速度偏移，可通过星系聚集和恒星运动学探测。
• 未来大尺度结构与CMB弱引力透镜之间的交叉相关性，以及本征对齐测量，有望对DM-DE拖拽情景提供强有力的检验。