Evolving and interacting dark energy: photometric and spectroscopic synergy with DES Y3 and DESI DR2

Resumen Técnico: Energía Oscura Evolutiva e Interactuante: Sinergia Fotométrica y Espectroscópica con DES Y3 y DESI DR2

Planteamiento del Problema
El modelo cosmológico de concordancia actual, $\Lambda$CDM, enfrenta tensiones emergentes, incluidas indicaciones de energía oscura que evoluciona en el tiempo derivadas de mediciones de DESI y la discrepancia $S_8$ entre las observaciones de Estructura a Gran Escala (LSS) en tiempos tardíos y las predicciones del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) en tiempos tempranos. Los modelos de Energía Oscura Interactuante (IDE), específicamente aquellos que involucran un intercambio puro de momento (modelos Tipo III) entre materia oscura y energía oscura, ofrecen una extensión teórica para abordar estos problemas. El modelo de "Dispersión Oscura" (DS) es un candidato prominente donde la energía oscura y la materia oscura fría intercambian momento mediante dispersión elástica, suprimiendo el crecimiento de estructuras sin alterar la historia de expansión del fondo. Sin embargo, las restricciones sobre DS han sido débiles, particularmente cuando se combinan con ecuaciones de estado de energía oscura evolutivas. Este estudio investiga un escenario DS extendido donde la ecuación de estado de la energía oscura evoluciona según la parametrización Chevallier–Polarski–Linder (CPL), con el objetivo de restringir la fuerza de interacción y la dinámica de la energía oscura utilizando una sinergia de datos fotométricos y espectroscópicos.

Metodología
Los autores realizan un análisis conjunto combinando tres conjuntos de datos:

1. DES Y3: Tres funciones de correlación de dos puntos (3$\times$2pt) que incluyen cizallamiento cósmico, agrupamiento de galaxias y lente galaxia-galaxia.
2. DESI DR2: Mediciones de Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO).
3. Sondas Adicionales: Supernovas Tipo Ia de DES Año 5 (Y5) y datos del CMB de Planck 2018.

Para modelar la formación de estructuras no lineales en el marco DS+CPL, los autores emplean el formalismo de reacción del modelo de halos. Este enfoque calcula el espectro de potencia de materia no lineal $P_{NL}$ como el producto de un espectro no lineal estándar de $\Lambda$CDM y una función de "impulso" $B(k,a)$, que accounta por los efectos de interacción.

• Emulación: Se construyó un emulador de red neuronal para la función de impulso $B(k,a)$ utilizando la plataforma Cosmopower. El emulador fue entrenado con $1.4 \times 10^6$ espectros generados por el código ReACT, cubriendo números de onda $k \in [10^{-2}, 5] h/\text{Mpc}$ y corrimientos al rojo $z \in [0, 2.5]$. El emulador alcanza una precisión de $\sim 1\%$ en el régimen relevante.
• Parametrización: El modelo introduce los parámetros CPL $\{w_0, w_a\}$ y la fuerza de interacción. Mientras que trabajos anteriores utilizaron un parámetro $\xi$ (sección transversal por masa), este estudio utiliza el parámetro $A_{ds} \equiv (1+w)\xi$ para definir la interacción en un corrimiento al rojo de pivote ($z_{piv} \approx 0.4$), junto con el valor en $z=0$.
• Análisis: El análisis utiliza la cadena CosmoSIS. Las cadenas sin datos del CMB utilizan Polychord, mientras que aquellas que incluyen CMB utilizan Nautilus para una mejor convergencia. Los priores se definen en la Tabla 1, incluyendo priores planos en parámetros cosmológicos y restricciones específicas sobre el parámetro de interacción.

Contribuciones Clave

1. Primera Restricción Combinada: Este trabajo proporciona las restricciones más estrictas previas a Euclid sobre el modelo de Dispersión Oscura al combinar datos fotométricos (DES) y espectroscópicos (DESI) con CMB y Supernovas.
2. Modelado No Lineal: El estudio extiende la aplicación del formalismo de reacción del modelo de halos a un modelo DS con una ecuación de estado evolutiva en el tiempo (CPL), utilizando un emulador de red neuronal personalizado para calcular eficientemente espectros de potencia no lineales.
3. Análisis de Sinergia: El artículo cuantifica explícitamente el valor añadido de los datos fotométricos (DES Y3) para restringir modelos de energía oscura interactuante en comparación con los datos espectroscópicos (DESI) y el CMB por sí solos.

Resultados

• Restricciones de Interacción: Para todas las combinaciones de datos, el parámetro de interacción $A_{ds}$ es consistente con cero dentro de $1\sigma$. La única excepción es la combinación DESI+SN+CMB, que muestra una preferencia de $\sim 2\sigma$ por una interacción no nula; sin embargo, los autores atribuyen esto a efectos de proyección y al hecho de que las sondas de fondo (SN, BAO) y el CMB por sí solos son débilmente restrictivos sobre el término de interacción.
• Preferencia del Modelo: El modelo CPL (energía oscura no interactuante, evolutiva) es estadísticamente preferido sobre el modelo DS. El análisis del factor de Bayes indica evidencia "moderada" a "fuerte" a favor de CPL sobre DS cuando se incluyen datos fotométricos de DES.
• Restricciones de Parámetros (Combinación Completa):
  • CPL: $w_0 = -0.76 \pm 0.06$, $w_a = -0.77^{+0.23}_{-0.20}$.
  • DS: $w_0 = -0.79^{+0.05}_{-0.06}$, $w_a = -0.56^{+0.24}_{-0.15}$, $A_{ds} = 9.8^{+2.8}_{-9.5} \text{ bn/GeV}$.
• Impacto de los Datos Fotométricos: Incluir datos de DES Y3 mejora la Figura de Mérito (FoM) en el plano $(w_0, w_a)$ en un $\sim 12\%$ para CPL y un $\sim 25\%$ para DS en relación con DESI+SN+CMB por sí solos. La mayor mejora para DS resalta la necesidad de datos de crecimiento de estructuras (como lente débil) para restringir la amplitud de interacción.
• Tensión $S_8$: El estudio no encuentra evidencia de una discrepancia $S_8$ entre mediciones de bajo corrimiento al rojo y extrapolaciones de CMB de alto corrimiento al rojo en ninguno de los modelos CPL o DS. En el modelo DS, las restricciones de $S_8$ derivadas del CMB se amplían significativamente debido a degeneraciones con parámetros de energía oscura, volviéndolas consistentes con las mediciones de bajo corrimiento al rojo.

Significado
El artículo afirma que estos resultados representan las restricciones más rigurosas previas a Euclid sobre la Dispersión Oscura derivadas de un análisis combinado fotométrico y espectroscópico. Los hallazgos sugieren que, aunque el modelo DS es teóricamente viable, los datos actuales no apoyan una detección de interacciones en el sector oscuro. El estudio enfatiza que los datos de formación de estructuras son críticos para romper degeneraciones en modelos interactuantes; sin las restricciones fotométricas de DES, la preferencia por CPL sobre DS es negligible. Los autores concluyen que las tendencias observadas (preferencia por CPL y ausencia de tensión $S_8$) son robustas, aunque notan que futuras recalibraciones de datos de supernovas o nuevos sondeos (Euclid, Rubin) podrían refinar estas restricciones aún más.