Alleviating the $H_0$ tension through the interacting dark energy model from quantum gravitational field theory in light of DESI DR2

Résumé Technique : Atténuation de la tension $H_0$ via l'énergie noire interagissante dans la théorie du champ de la gravitation quantique

Énoncé du Problème
Le modèle cosmologique standard ($\Lambda$CDM) est confronté à une crise significative connue sous le nom de tension $H_0$, une divergence dépassant $5\sigma$ entre la constante de Hubble inférée des données du Fond Diffus Cosmologique (CMB) ($H_0 \approx 67,4$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$) et les mesures locales de l'échelle de distance de SH0ES ($H_0 \approx 73,0$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$). Les récentes publications de données, particulièrement la deuxième publication de données (DR2) de l'instrument de spectroscopie d'énergie sombre (DESI), ont davantage complexifié ce paysage. Bien que les données BAO de DESI DR2 combinées aux données du CMB et des Supernovae (SN) montrent une forte préférence pour l'énergie noire dynamique (spécifiquement le modèle $w_0w_a$CDM), cette préférence exacerbe paradoxalement la tension $H_0$, poussant la divergence au niveau de $4,2\sigma$. Les auteurs postulent que la tension pourrait être atténuée non pas par l'énergie noire dynamique standard, mais par des modèles d'énergie noire interagissante dérivés du cadre de la sécurité asymptotique de la théorie du champ de la gravitation quantique.

Méthodologie
L'étude examine deux modèles d'énergie noire interagissante motivés par le scénario de la sécurité asymptotique, où la constante gravitationnelle $G$ et la constante cosmologique $\Lambda$ ne sont pas fixes mais évoluent avec l'échelle d'énergie (redshift $z$) :

1. $e\Lambda$CDM : Une extension à un paramètre où les indices critiques $\delta_G$ (régissant $G$) et $\delta_\Lambda$ (régissant $\Lambda$) sont liés par une contrainte à bas redshift ($\delta_\Lambda \simeq 0,47 \delta_G$).
2. $ee\Lambda$CDM : Une extension à deux paramètres où $\delta_G$ et $\delta_\Lambda$ sont traités comme des paramètres libres indépendants.

L'évolution de l'arrière-plan est modifiée de telle sorte que $G(z) = G_0(1+z)^{-\delta_G}$ et $\Lambda(z) = \Lambda_0(1+z)^{\delta_\Lambda}$. Les auteurs effectuent des contraintes observationnelles en utilisant une combinaison complète de jeux de données :

• CMB : Données Planck et ACT DR6.
• BAO : Données DESI DR2 (galaxies, quasars et forêt Lyman-$\alpha$).
• Supernovae : Compilations DESY5 et PantheonPlus.
• Hubble Local : Priorité SH0ES ($H_0 = 73,04 \pm 1,04$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$).

L'estimation des paramètres est réalisée via une analyse de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) utilisant le cadre Cobaya interfacé avec une version modifiée du solveur de Boltzmann CAMB. La performance du modèle est évaluée par $\Delta\chi^2_{min}$ et le critère d'information de deviance (DIC) par rapport au modèle $\Lambda$CDM standard.

Résultats Clés

• Performance de $ee\Lambda$CDM : Le modèle $ee\Lambda$CDM à deux paramètres démontre une capacité significative à atténuer la tension $H_0$, particulièrement lorsque les données SH0ES sont incluses. Dans la combinaison CMB+DESI+SH0ES, le modèle produit $H_0 = 70,84 \pm 0,74$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, réduisant la tension à $1,7\sigma$.
• Contraintes de Paramètres : Cette valeur de $H_0$ plus élevée est pilotée par une déviation négative du paramètre d'échelle de la constante cosmologique, $\delta_\Lambda = -0,270 \pm 0,100$, qui s'écarte de zéro au niveau de $2,7\sigma$. L'analyse révèle une forte anti-corrélation entre $\delta_\Lambda$ et $H_0$ ; un $\delta_\Lambda$ négatif implique une évolution dynamique qui renforce la constante cosmologique effective, augmentant ainsi le taux d'expansion inféré.
• Comparaison avec $w_0w_a$CDM : Bien que les données DESI favorisent le modèle $w_0w_a$CDM, les auteurs trouvent que ce modèle aggrave la tension $H_0$ (atteignant $4,2\sigma$ avec CMB+DESI). En revanche, le modèle $ee\Lambda$CDM fournit une atténuation modérée même sans SH0ES (réduisant la tension à $2,9\sigma$ avec CMB+DESI seul) et une atténuation substantielle lorsque SH0ES est inclus.
• Préférence Statistique : Le modèle $ee\Lambda$CDM montre une amélioration marquée de la qualité de l'ajustement par rapport à $\Lambda$CDM pour des combinaisons spécifiques de jeux de données. Pour CMB+DESI+SH0ES, l'étude rapporte $\Delta\chi^2_{min} = -14,14$ et $\Delta DIC = -9,18$, indiquant une forte préférence statistique pour le modèle interagissant même après avoir pénalisé pour le paramètre libre supplémentaire.
• Limitations de $e\Lambda$CDM : Le modèle $e\Lambda$CDM à un paramètre ne montre que des améliorations modestes par rapport à $\Lambda$CDM, $\delta_G$ restant cohérent avec zéro à des niveaux de signification faibles, suggérant que l'évolution indépendante de $\Lambda$ (capturée par $\delta_\Lambda$) est cruciale pour atténuer la tension.

Signification et Revendications
L'article affirme que le modèle $ee\Lambda$CDM, ancré dans la sécurité asymptotique de la gravitation quantique, offre une alternative convaincante au paradigme standard $\Lambda$CDM. Sa principale signification réside dans sa capacité à accommoder simultanément la préférence pour un comportement dynamique suggéré par les données DESI DR2 tout en résolvant la tension $H_0$, un exploit que les modèles d'énergie noire dynamique standard ne parviennent pas à accomplir. Les auteurs concluent que le scénario d'énergie noire interagissante, spécifiquement l'extension à deux paramètres, non seulement s'ajuste mieux aux données observationnelles, mais fournit également un mécanisme théorique (via l'anti-corrélation de $\delta_\Lambda$ et $H_0$) pour réconcilier la divergence entre les mesures de la constante de Hubble de l'univers primordial et de l'univers tardif. Le travail suggère que les futures combinaisons de données DESI, CMB et SN testeront davantage l'existence de telles interactions et la nature de l'énergie noire.