新兴暗能量模型的比较研究

《Physics of the Dark Universe》：A comparative study of emergent dark energy models

　　

摘要

近年来，一些晚期（新出现的）暗能量模型因其简洁性、能够解释哈勃张力问题，以及在某些情况下与暗能量光谱仪器（DESI）的结果一致而取得了成功。这些模型中研究最多的是现象学暗能量模型（PEDE）和广义新出现暗能量模型（GEDE）、变曲率模型以及分级暗能量模型。我们的目标是将曲率项纳入这些模型中，并使用多种数据样本进行全面的比较研究，特别是宇宙计时器、Ia型超新星、DESI-DR1数据中的重子声波振荡以及宇宙微波背景辐射。本研究揭示了宇宙的年龄、减速率、w_eff参数的重建结果、红移转变情况，以及各模型的最佳拟合参数。根据赤池信息量准则和贝叶斯信息量准则的评估，PEDE模型是最优候选者。然而，只有变曲率模型在$z=0$附近表现出减速现象，这与DESI的观测结果一致。

引言

当今宇宙学面临的最大挑战之一是理解暗能量的本质。由于暗能量的作用，我们对宇宙演化的认识一直通过不同的数学模型进行着持续的研究[1],[2],[3]。目前用于解释宇宙演化最常用的模型是众所周知的Λ-冷暗物质模型（ΛCDM）。然而，当前的观测结果揭示了该模型基础中的若干问题。第一个也是最古老的问题与宇宙常数的能量密度值有关，通过量子场理论得到的值与观测值相差约120个数量级[4],[5]。另一个问题是当我们通过局部红移观测和高红移观测测量哈勃常数H₀时出现的张力[1],[3]，目前的张力约为5σ，这对标准宇宙学范式提出了挑战。此外，暗能量光谱仪器（DESI）[6],[7]的观测结果显示宇宙常数可能存在动态变化，特别是通过“幻影宇宙常数”或“ quintessence暗能量”[7]的作用，导致宇宙在最终阶段的加速减缓。

在这种背景下，科学界正在寻找超越ΛCDM的新理论，特别是新出现的暗能量模型，这些模型取得了前所未有的成功。例如，现象学新出现暗能量模型（PEDE）[8]、广义新出现暗能量模型（GEDE）[9]、变曲率模型（VC）[10]和分级暗能量模型（GDE）[11]是最受研究的模型。这些模型的一个共同特点是它们的动态方程中包含一个行为类似暗能量的函数；在这种情况下，这四个模型都使用了双曲正切（tanh?x），使得宇宙可以从非加速状态转变为加速状态。在PEDE和GEDE模型中，引起加速的项是一个标量场；而在VC模型中，加速是由曲率变化引起的；在GDE模型中，则是由Λ项的符号变化导致的。PEDE、GEDE和GDE模型利用宇宙计时器、Ia型超新星、重子声波振荡和宇宙微波背景辐射进行了约束；而对于VC模型，我们仅使用低红移观测数据¹（即宇宙计时器和Ia型超新星数据）来探索宇宙的当前动态。为了确保清晰的比较，这四个模型都与包含曲率项的ΛCDM模型（${\Omega }_k?\Lambda$CDM）进行了对比。同样，所有模型的动态方程中都包含了曲率项。

本文的结构如下：第2节探讨了与变曲率、现象学新出现暗能量、广义新出现暗能量和动态Λ模型相关的数学背景。第3节介绍了用于约束各模型自由参数的数据集。第4节展示了我们的研究结果及各模型之间的比较。第5节给出了我们的结论和讨论。此后，我们使用的单位为$?=c=k_B=1$。

章节片段

宇宙学模型

为了描述宇宙，我们需要开发与观测结果相符的数学模型；因此，在本文中，我们将探讨四种不同的模型。这些模型在数学上可能看起来相似，因为它们都使用了双曲函数，但每个模型都有不同的物理解释。不同模型之间共享某些参数，包括：包含重子和暗物质参数的${\Omega }_{0m}={\Omega }_{0b}+{\Omega }_{0dm}$、曲率密度Ω_k等。

数据集和约束条件

宇宙学模型Θ的参数空间如下：

• •
  变曲率模型,
• •
  PEDE模型Θ_PEDE：
  h, Ω_0m, Ω_k），

•

GEDE模型Θ_GEDE：

h, Ω_0m, Ω_k, Δ)，

•

GDE模型Θ_GDE：

h, Ω_0m, Ω_k, Ψ, λ），

其中h是无量纲哈勃常数，其余参数是每个宇宙学模型的特征参数。这些参数是通过宇宙计时器、Ia型超新星、重子声波振荡和宇宙微波背景辐射进行约束的

结果

为了更好地比较这四个模型与标准模型，我们在所有模型中都加入了曲率项Ω_k。另外，作者们建议：如果可能的话（如果不可能也没关系），请删除红色文本，因为这部分文本是在第一次审稿时写的。需要说明的是：约束条件是使用CC、SNIa、BAO和CMB数据实现的，除了VC模型，VC模型仅使用CC和SNIa数据。此外，VC模型的约束仅使用低红移数据样本实现。

结论与讨论

本文旨在比较新出现的暗能量模型，特别是那些在宇宙晚期（z?≈?0）仅起作用的含双曲正切或类似函数的模型。我们的目标是在ΛCDM模型中也加入曲率项，以便进行清晰比较，因为VC模型的主要特点是曲率的变化。此外，我们使用低红移数据集（特别是CC和SNIa结合BAO和CMB数据集）来开展分析。

CRediT作者贡献声明

安德烈斯·加西亚-里维拉：研究、方法论。阿隆索·埃尔南德斯-阿尔马达：研究、方法论、数据管理。米格尔·A·加西亚-阿斯佩蒂亚：研究、方法论、形式分析。V·莫塔：研究、方法论。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

安德烈斯·加西亚-里维拉|阿隆索·埃尔南德斯-阿尔马达|米格尔·A·加西亚-阿斯佩蒂亚|V·莫塔