Luciano-Saridakis全息暗能量的观测约束

《Physics of the Dark Universe》：Observational constraints on Luciano-Saridakis holographic dark energy

　　

摘要

全息暗能量（HDE）模型为将引力热力学与宇宙晚期加速膨胀联系起来提供了一个自然框架。在本工作中，我们研究了源自最近提出的一种广义熵的扩展HDE场景的可观测性。对于有界系统，该熵展现出具有两个独立面积贡献的广义全息标度，从而产生了一种修正的HDE密度，该密度以标准HDE和ΛCDM作为极限情形将其包含在内。聚焦于哈勃视界红外截断，我们利用宇宙计时器、Pantheon${}^{+}$+SH0ES Ia型超新星编目、DESI DR2重子声学振荡以及压缩的Planck 2018 CMB位移参数对该模型进行约束。我们发现，该模型对组合数据集提供了优异的拟合，并且允许存在参数空间区域，使得Pantheon${}^{+}$+SH0ES与CMB约束可以同时被容纳。优选解接近ΛCDM区域，尽管非标准的熵贡献与当前观测仍然相容。我们进一步将该模型的完整实现（包含两个独立面积贡献）与其简化的单一贡献极限进行比较，发现两者对数据的描述本质上等价，但略有偏向后者。我们的结果确立了广义熵HDE作为标准宇宙学场景的一种可行且有理论动机的扩展，并为这一宇宙学框架提供了首个观测评估。

引言

过去几十年积累的庞大宇宙学数据已经明确证实，宇宙从物质主导的时期转变为晚期的加速膨胀阶段。在标准宇宙学范式框架内，这一现象通常归因于宇宙学常数（Λ），它提供了对观测最简单且数学上最经济的拟合。然而，尽管其在经验上取得了成功，这一解释面临深刻的概念性挑战。最引人注目的是，观测到的真空能量密度与量子场论的理论预言之间存在巨大的差异，加之宇宙加速可能是一个动力学过程而非静态属性，这促使人们探索替代理论模型。

在此背景下，主要探索了两种途径。第一种保留了广义相对论作为引力基本理论，同时在物质部门引入新组分，统称暗能量 [1]、[2]、[3]。第二种则涉及对引力部门本身进行修改或扩展，导致在适当极限下恢复广义相对论的同时引入能够驱动晚期加速膨胀的新自由度的理论 [4]、[5]、[6]、[7]、[8]。

全息暗能量（HDE）提供了一种根本不同的途径，它基于全息原理 [9]、[10]、[11] 及其宇宙学应用 [12]、[13]、[14]。这一视角表明，有效量子场论在大尺度上的有效性受到引力考虑的约束，后者将紫外与红外截断联系起来。因此，真空能量密度由一个特征宇宙学尺度决定 [15]、[16]，使暗能量具有全息起源，其密度随宇宙动态演化 [17]、[18]。全息暗能量已被广泛研究，揭示出丰富且可行的现象学，与宇宙热历史及当前观测约束保持一致 [17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。

HDE场景的扩展通常遵循两条主要路径。一条路径探索不同的红外截断，如未来事件视界、表观视界、宇宙年龄，或基于曲率的尺度，如Ricci标量和Gauss-Bonnet不变量 [41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]。另一条路径则聚焦于修改宇宙学视界的熵-面积关系，由于借鉴了广义统计力学和量子引力，已提出了各种熵泛函，包括Tsallis、Barrow、Kaniadakis和日志修正，从而产生了扩展HDE模型 [52]、[53]、[54]、[55]、[56]、[57]、[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]。

这些模型的一个共同特征是，修正熵通常通过视界熵的现象学形变在大尺度上引入。然而最近，文献[74]基于修正的统计框架和微观态计数引入了一个新的双参数广义熵泛函。与以往的方法不同，该框架具有明确的微观起源，导致对有界系统产生广义全息标度，其特征是两个独立贡献。由此得到的熵在恢复标准Bekenstein-Hawking极限的同时，展现出由两个不同熵扇区相互作用产生的更复杂结构。

将其整合入全息框架后，该熵导致了一个扩展HDE场景，其中能量密度由两个独立的全息贡献组成 [75]。因此，传统的单标度HDE模型被提升为多扇区结构，其中不同标度行为可以动态竞争。这产生了比常规模型显著更丰富的宇宙学现象学，允许各种动力学阶段，包括精质和幻影区域，同时将标准HDE和ΛCDM范式作为极限情形恢复。

该框架的背景宇宙学意义已经被研究过，表明它成功地重现了宇宙的热历史，并解释了从物质主导时期到当前加速膨胀阶段的转变 [75]。然而，任何可行的宇宙学场景最终都必须面对观测的检验。因此，评估该框架的物理相关性需要与当前宇宙学数据进行直接比较，以约束其参数空间并检验其对宇宙观测膨胀历史的预测。

在本文中，我们对源自该双参数熵的HDE场景进行了严格的观测研究。通过利用一系列早期和晚期宇宙探针，包括宇宙计时器、来自Pantheon+编目的Ia型超新星（使用SH0ES校准）、来自DESI DR2的重子声学振荡以及压缩的宇宙微波背景数据，我们执行了全面的统计分析以约束模型的自由参数。这使我们能够评估其现象学可行性，量化相对于ΛCDM的潜在偏差，并确定扩展参数空间是否能够缓解宇宙学数据集之间现有的张力。

本文的组织如下。在第2节中，我们介绍了模型的理论框架。在第3节中，我们描述了分析中使用的观测方法和数据集。在第4节中，我们呈现了统计分析的结果并讨论了其宇宙学意义。最后，在第5节中，我们总结了结论并概述了未来工作的可能方向。

章节摘要

源自新双参数熵的全息暗能量

在本节中，我们概述了Luciano-Saridakis全息暗能量场景的理论框架。我们首先回顾广义双参数熵，然后介绍相应地将与后续各节中的宇宙学观测进行测试的全息暗能量构造。

观测框架与数据

在本节中，我们介绍了用于约束Luciano-Saridakis HDE场景的观测探针。我们的分析纳入了Ia型超新星（SNIa）、宇宙计时器（CC）、重子声学振荡（BAO），以及通过位移参数压缩的宇宙微波背景（CMB）信息。这些可观测量探测了宇宙的背景膨胀历史，主要依赖于哈勃参数H(z)和共动距离，$$\chi (<span\; style="visibility:hidden"></span>z=c{\int }_0^z\frac{d{z}^{\prime }}{H(<span\; style="visibility:hidden"></span>z^{\prime })},$$其中为光速

观测约束

我们使用COBAYA框架 [92]、[93] 结合经过适当修改的CLASS玻尔兹曼求解器 [94] 执行了马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析。所探索的参数空间由参数（h, ω_m, ω_b, α_?, ?, α_δ）组成，在以上指定的先验范围内采样。在所有运行中，我们将当前CMB温度固定为$T_{\mathrm{C}MB}=2.7255\mathrm{K}$，并假设标准相对论部门，其中包含无质量中微子和有效相对论物种数$N_{\mathrm{e}ff}=3.046$。

结论

在本工作中，我们对基于最近提出的具有明确微观起源的双参数广义熵泛函的Luciano-Saridakis全息暗能量（HDE）场景进行了全面的观测分析。通过结合四个独立的宇宙学探针——宇宙计时器、来自Pantheon${}^{+}$+SH0ES编目的Ia型超新星、来自DESI DR2的重子声学振荡以及源自Planck 2018的压缩CMB位移参数——我们

CRediT作者贡献声明

Matías Leizerovich：方法论、数据整理、撰写——审阅与编辑。Susana J. Landau：方法论、数据整理、撰写——原创草稿、撰写——审阅与编辑。Giuseppe Gaetano Luciano：概念化、形式化分析、撰写——原创草稿、撰写——审阅与编辑。Andreas Papatriantafyllou：撰写——原创草稿。Emmanuel N. Saridakis：概念化、形式化分析、撰写——原创草稿、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Matías Leizerovich|Susana J. Landau|Giuseppe Gaetano Luciano|Andreas Papatriantafyllou|Emmanuel N. Saridakis