Constraining dark energy with complementary probes of large-scale structure

Resumen Técnico: Restringiendo la Energía Oscura con Sondas Complementarias de la Estructura a Gran Escala

Planteamiento del Problema
La naturaleza de la energía oscura (DE) sigue siendo una búsqueda central en la cosmología. Si bien la historia de la expansión del fondo (restringida por CMB, BAO y SNe) proporciona límites sobre la DE dinámica, las firmas en la evolución de las perturbaciones cosmológicas contienen información microfísica adicional y están estrechamente vinculadas a la gravedad modificada. Los análisis existentes suelen centrarse en las restricciones del fondo o en sondas de perturbaciones específicas de forma aislada. Este trabajo aborda la necesidad de modelar consistentemente las perturbaciones cosmológicas dentro del marco de la Teoría de Campo Efectiva de la Energía Oscura (EFTofDE) junto con la expansión del fondo, utilizando un conjunto exhaustivo de sondas complementarias de la estructura a gran escala (LSS) para restringir el espacio de la teoría conjunta.

Metodología
Los autores emplean el marco EFTofDE, trabajando específicamente en la base $\alpha$, que parametriza la teoría mediante la ecuación de estado de la DE $w(z)$ y dos funciones libres que describen el trenzado ($\alpha_B$) y la evolución de la masa de Planck ($\alpha_M$). Estas se parametrizan como:
$$w(a) = w_0 + w_a(1-a)$$
$$\alpha_B = c_B \Omega_{DE}(z), \quad \alpha_M = c_M \Omega_{DE}(z)$$
El estudio se centra en los parámetros de perturbación $\{c_B, c_M\}$ y los parámetros del fondo $\{w_0, w_a\}$.

Conjuntos de Datos y Verosimilitudes (Likelihoods)
El análisis complementa la combinación "mínima" estándar de anisotropías del CMB (Planck PR4), lensing del CMB, BAO (DESI DR2) y SNe (DES Y5) con varias sondas de LSS:

1. Distorsiones de Espacio de Redshift (RSD): Mediciones de forma completa (full-shape) de DESI DR1 (combinadas con BAO para contabilizar la covariancia cruzada).
2. Lente Débil (3$\times$2pt): Mediciones de DES Y3 de cizalladura cósmica (cosmic shear), agrupamiento de galaxias (galaxy clustering) y lensing galaxia-galaxia.
3. Efecto Sachs-Wolfe Integrado (ISW): Dos verosimilitudes de correlación cruzada:
   • ISW-Tg: Anisotropías de temperatura del CMB correlacionadas con recuentos de número de galaxias.
   • ISW-T$\kappa$: Anisotropías de temperatura del CMB correlacionadas con el lensing del CMB.

Manejo de la Covarianza: Los autores adoptan un enfoque cauteloso respecto a la combinación de conjuntos de datos. Evitan combinar sondas con covarianzas no modeladas y no despreciables (por ejemplo, 3$\times$2pt no se combina con CMB lensing o ISW-T$\kappa$; ISW-Tg e ISW-T$\kappa$ no se combinan).

Cuantificación de las Restricciones:
Debido a la naturaleza altamente no gaussiana de los posteriors para $\{c_B, c_M\}$, las métricas tradicionales basadas en Gaussianas son insuficientes. Los autores definen:

• Ancho del Posterior (Posterior Width): La diferencia entre los límites superior e inferior del 68% para los parámetros 1D.
• Figura de Mérito (FoM): El inverso del área de la región de credibilidad del 68% para el posterior 2D de $\{c_B, c_M\}$, normalizado a la combinación de conjuntos de datos mínima.

Resultados Clave

1. Complementariedad de las Sondas:

   • RSD: Mejora principalmente las restricciones sobre $c_M$ (reduciendo el ancho del posterior en un 22%) al romper las degeneraciones en la dirección de la tasa de crecimiento.
   • 3$\times$2pt: Significativamente más fuerte que el CMB lensing para las perturbaciones de la DE, reduciendo el ancho del posterior de $c_B$ en un 27% y de $c_M$ en un 20%. Efectivamente corta la región del posterior de bajo $c_M$ y alto $c_B$.
   • ISW-Tg: Desplaza las medias de ambos parámetros y reduce el ancho de $c_M$ en un 24%. Únicamente extiende la región de credibilidad del 95% en la dirección de $\{c_B, c_M\}$ positivamente correlacionados, mientras corta la cola inferior derecha.
   • Restricciones Combinadas: La combinación más restrictiva (Mínimo + DESI DR1 RSD + DES Y3 3$\times$2pt + ISW-Tg) mejora la FoM para $\{c_B, c_M\}$ por un factor de 2.69 en comparación con el conjunto de datos mínimo.

2. Implicaciones Fenomenológicas:
   Mapeando las restricciones a las funciones fenomenológicas $\{\mu(z), \Sigma(z)\}$ (modificaciones a los potenciales Newtoniano y Weyl), el conjunto de datos combinado produce una mejora de la FoM de 3.37. Las restricciones sitúan firmemente los valores actuales en el régimen $\mu_{today} > 1$ y $\Sigma_{today} < 1$, desfavoreciendo aumentos fuertes en el agrupamiento de materia o en el lensing. Específicamente:

   • RSD desfavorece $\mu(z) \gtrsim 0.2$ para $z \lesssim 2$.
   • 3$\times$2pt desfavorece $\Sigma(z) \gtrsim 0.1$ para $z \lesssim 2$.
   • ISW-Tg restringe la evolución temporal de $\Sigma(z)$ en redshifts muy bajos ($z \lesssim 0.5$).

3. Interacción entre el Fondo y las Perturbaciones:

   • Prior de Estabilidad de Gradiente: Un prior teórico derivado del requisito de una velocidad de sonido positiva ($c_s^2 > 0$) acopla el fondo $\{w_0, w_a\}$ y las perturbaciones $\{c_B, c_M\}$. Este prior crea un límite en el espacio de parámetros 4D que desfavorece el límite de la Relatividad General (GR) ($c_B=c_M=0$), incluso cuando los datos no tienen sensibilidad directa a las perturbaciones, siempre que el fondo de la expansión se desvíe de $\Lambda$CDM.
   • Dependencia del Fondo: Asumir un fondo $\Lambda$CDM fijo debilita las restricciones sobre $\{c_B, c_M\}$ en comparación con el fondo dinámico $w_0w_a$, a pesar de que este último tiene más parámetros libres.

4. Significancia de la Desviación de $\Lambda$CDM:
   Los autores calculan la significancia de la desviación de $\Lambda$CDM utilizando la métrica $\Delta\chi^2_{MAP}$.

   • Para el modelo estándar $w_0w_a$CDM (usando el formalismo PPF), la desviación es de 3.1$\sigma$.
   • Para el modelo EFTofDE (modelando consistentemente las perturbaciones subhorizonte), la desviación es de 2.9$\sigma$.
     Los autores señalan que este resultado es "no trivialmente similar", indicando que los efectos contrapuestos del prior de estabilidad de gradiente (que empuja $\{w_0, w_a\}$ hacia $\Lambda$CDM) y las restricciones de las perturbaciones (que empujan $\{c_B, c_M\}$ lejos de la GR) se compensan en gran medida.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar que la combinación de sondas de LSS complementarias (RSD, 3$\times$2pt e ISW) estrecha significativamente las restricciones sobre las perturbaciones de la DE dentro del marco EFTofDE, mejorando la Figura de Mérito en casi un factor de 3 en comparación con las sondas que solo consideran el fondo.

Crucialmente, el trabajo destaca la interdependencia entre las restricciones de la expansión del fondo y las restricciones de las perturbaciones mediada por la condición de estabilidad de gradiente. Este prior teórico se muestra como un factor dominante en la formación de los posteriors cerca del límite de la GR, impulsándolos a menudo lejos de la GR incluso cuando los datos observacionales por sí solos podrían sugerir consistencia. Los autores concluyen que modelar consistentemente las perturbaciones de la DE a nivel de Lagrangiano no altera drásticamente la significancia observacional de la DE dinámica sobre $\Lambda$CDM en comparación con los enfoques fenomenológicos estándar, encontrando una desviación de 2.9$\sigma$ frente a 3.1$\sigma$.

El estudio enfatiza la necesidad de un manejo cuidadoso de la covarianza al combinar diversos conjuntos de datos de LSS y proporciona una interpretación física de cómo diferentes sondas (agrupamiento frente a lensing) restringen regímenes específicos de la fenomenología de la gravedad modificada.