Interacting dark energy after DESI DR2: a challenge for $Λ$CDM paradigm?

Resumen Técnico: Energía Oscura Interactuante tras DESI DR2

Planteamiento del Problema
El paradigma estándar $\Lambda$CDM, aunque exitoso, enfrenta desafíos teóricos con respecto a la naturaleza de la energía oscura (DE) y la materia oscura (DM), así como tensiones observacionales tales como las discrepancias en $H_0$ y $\sigma_8$. Dado que los orígenes microfísicos de ambos sectores oscuros son desconocidos, los marcos teóricos permiten interacciones mutuas entre ellos. Tales interacciones alteran las leyes de conservación de los sectores individuales, ofreciendo potencialmente un mecanismo para aliviar estas tensiones. Este artículo investiga un escenario general de energía oscura interactuante (IDE), específicamente probando si los datos observacionales recientes, incluyendo los recién liberados de la segunda entrega de datos del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI DR2), favorecen una interacción no nula sobre el modelo estándar de $\Lambda$CDM no interactuante.

Metodología
Los autores modelan la interacción cuantificando la desviación de la escala estándar de la densidad de energía de la materia oscura fría (CDM). En lugar de asumir una función de interacción fenomenológica específica $Q$, parametrizan la interacción a través de un término de desviación $\delta(a)$ en la relación de escala $\rho_{dm} = \rho_{dm,0} a^{-3+\delta(a)}$. El estudio se centra en el caso más simple donde la interacción es constante, $\delta(a) = \delta_0$, y la ecuación de estado de la DE es $w_{de} = -1$ (energía del vacío).

El análisis emplea una investigación exhaustiva de Monte Carlo por cadenas de Markov (MCMC) utilizando los códigos CAMB y Cobaya. El modelo se constriñe frente a un conjunto de conjuntos de datos observacionales:

• CMB: Espectros TT, TE, EE de alto-$l$ de Planck 2018 (PR3) y verosimilitudes de bajo-$l$.
• BAO: Mediciones de distancia de DESI DR2.
• SNIa: Tres compilaciones: PantheonPlus, Union3 y el conjunto de datos de 5 años del Dark Energy Survey (DESY5).
• Datos de Hubble: Mediciones de Cronómetros Cósmicos (CC) que abarcan $0.179 < z < 1.965$.

El análisis incluye siete parámetros libres: el parámetro de interacción $\delta_0$ y los seis parámetros estándar de $\Lambda$CDM. El estudio también examina perturbaciones lineales en el gauge sincrónico, asumiendo una transferencia de energía paralela a la tetravelocidad de la CDM (sin transferencia de momento), lo que mantiene la energía del vacío homogénea.

Resultados Clave

1. Parámetro de interacción ($\delta_0$):

   • CMB por sí solo: Muestra una leve preferencia por $\delta_0 > 0$ (flujo de energía de DE a DM) a algo más de $1\sigma$ ($>68\%$ CL), pero el valor cero está permitido dentro de $2\sigma$.
   • CMB + DESI: La inclusión de los datos de DESI DR2 revierte el signo de la preferencia. Los datos combinados favorecen $\delta_0 < 0$ (flujo de energía de DM a DE) a algo más de $1\sigma$.
   • Conjuntos de datos combinados: Cuando se añaden los datos de SNIa (PantheonPlus, Union3, DESY5) y CC a CMB+DESI, la preferencia por $\delta_0 < 0$ persiste al nivel de $>68\%$ CL. Sin embargo, en todos los casos, el parámetro de interacción sigue siendo consistente con cero dentro del nivel de confianza del $95\%$ ($2\sigma$). Por lo tanto, no se encuentra evidencia fuerte de interacción.

2. Parámetros Cosmológicos ($H_0$ y $\Omega_{m0}$):

   • La dirección del flujo de energía dicta los valores derivados de $H_0$ y $\Omega_{m0}$. Un $\delta_0$ positivo (DE $\to$ DM) aumenta $\Omega_{m0}$ y reduce $H_0$ debido a la degeneración geométrica. Por el contrario, el $\delta_0$ negativo preferido (DM $\to$ DE) en los conjuntos de datos combinados conduce a un $\Omega_{m0}$ ligeramente menor y un $H_0$ más alto (oscilando entre $68.42$y$68.74$ km/s/Mpc), el cual está más cerca de las mediciones locales que el valor de Planck 2018 $\Lambda$CDM ($67.27 \pm 0.60$ km/s/Mpc).
   • La inclusión de los datos de CC no altera significativamente las restricciones sobre $\delta_0$ u otros parámetros en comparación con los conjuntos de datos sin CC.

3. Comparación de Modelos:

   • $\Delta\chi^2_{min}$: La mayoría de los conjuntos de datos muestran una leve preferencia ($\Delta\chi^2_{min} < 0$) por el modelo interactuante sobre $\Lambda$CDM, particularmente cuando se incluyen los datos de CC.
   • Criterios de Información (AIC) y Evidencia Bayesiana: El panorama es mixto. El Criterio de Información de Akaike (AIC) generalmente favorece a $\Lambda$CDM ($\Delta AIC > 0$) en todos los conjuntos de datos, aunque la diferencia es a menudo pequeña ($0 < \Delta AIC < 2$), lo que indica indistinguibilidad estadística. Del mismo modo, el análisis de la evidencia bayesiana ($\ln B_{ij}$) favorece consistentemente al modelo de referencia $\Lambda$CDM sobre el escenario interactuante.

Significancia y Afirmaciones
El artículo concluye que, si bien un valor no nulo de la interacción es levemente preferido por ciertas medidas estadísticas (específicamente $\Delta\chi^2_{min}$) y por la dirección del mejor ajuste del parámetro en los conjuntos de datos combinados, la evidencia no es lo suficientemente robusta como para descartar el paradigma estándar de $\Lambda$CDM. La interacción sigue siendo consistente con cero dentro de $2\sigma$.

Los autores afirman que sus resultados revelan una "imagen mixta" respecto a la selección entre el modelo interactuante y $\Lambda$CDM. Sugieren que la leve preferencia por la interacción, combinada con la indicación de DESI de una DE dinámica, podría dar pistas hacia un escenario que involucra tanto la interacción como materia oscura no fría (ya que la interacción altera efectivamente la ecuación de estado de la DM). Sin embargo, mantienen una postura modesta, afirmando que la cuestión de la interacción mutua entre los sectores oscuros "permanece abierta". El artículo postula que podría surgir evidencia más fuerte si el parámetro de interacción $\delta(a)$ se permitiera variar en el tiempo, si se asumieran diferentes funciones de interacción, o si la DE se modelara de forma más general que la simple energía del vacío.