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

Résumé technique : Énergie noire évolutive et interactive : Synergie photométrique et spectroscopique avec DES Y3 et DESI DR2

Énoncé du problème
Le modèle cosmologique de concordance actuel, $\Lambda$CDM, fait face à des tensions émergentes, notamment des indications d'une énergie noire évoluant dans le temps issues des mesures de DESI et la divergence $S_8$ entre les observations de la structure à grande échelle (LSS) tardive et les prédictions du fond diffus cosmologique (CMB) précoce. Les modèles d'énergie noire interactive (IDE), en particulier ceux impliquant un échange de moment pur (modèles de type III) entre matière noire et énergie noire, offrent une extension théorique pour résoudre ces problèmes. Le modèle de « Diffusion noire » (DS) est un candidat majeur où l'énergie noire et la matière noire froide échangent de la quantité de mouvement via une diffusion élastique, supprimant la croissance des structures sans modifier l'histoire de l'expansion du fond. Cependant, les contraintes sur le DS ont été faibles, en particulier lorsqu'elles sont combinées à des équations d'état d'énergie noire évolutives. Cette étude examine un scénario DS étendu où l'équation d'état de l'énergie noire évolue selon la paramétrisation Chevallier–Polarski–Linder (CPL), visant à contraindre la force d'interaction et la dynamique de l'énergie noire en utilisant une synergie de données photométriques et spectroscopiques.

Méthodologie
Les auteurs réalisent une analyse conjointe combinant trois ensembles de données :

1. DES Y3 : Trois fonctions de corrélation à deux points (3$\times$2pt) incluant le cisaillement cosmique, l'agrégation des galaxies et le lentillage galaxie-galaxie.
2. DESI DR2 : Mesures des oscillations acoustiques des baryons (BAO).
3. Sondes supplémentaires : Supernovae de type Ia de DES Année 5 (Y5) et données du CMB de Planck 2018.

Pour modéliser la formation non linéaire des structures dans le cadre DS+CPL, les auteurs emploient le formalisme de réaction du modèle de halo. Cette approche calcule le spectre de puissance de la matière non linéaire $P_{NL}$ comme le produit d'un spectre non linéaire $\Lambda$CDM standard et d'une fonction de « boost » $B(k,a)$, qui rend compte des effets d'interaction.

• Émulation : Un émulateur de réseau neuronal pour la fonction de boost $B(k,a)$ a été construit en utilisant la plateforme Cosmopower. L'émulateur a été entraîné sur $1,4 \times 10^6$ spectres générés par le code ReACT, couvrant les nombres d'onde $k \in [10^{-2}, 5] h/\text{Mpc}$ et les décalages vers le rouge $z \in [0, 2,5]$. L'émulateur atteint une précision d'environ $1\%$ dans le régime pertinent.
• Paramétrisation : Le modèle introduit les paramètres CPL $\{w_0, w_a\}$ et la force d'interaction. Alors que les travaux précédents utilisaient un paramètre $\xi$ (section efficace par masse), cette étude utilise le paramètre $A_{ds} \equiv (1+w)\xi$ pour définir l'interaction à un décalage vers le rouge pivot ($z_{piv} \approx 0,4$), ainsi que la valeur à $z=0$.
• Analyse : L'analyse utilise le pipeline CosmoSIS. Les chaînes sans données CMB utilisent Polychord, tandis que celles incluant le CMB utilisent Nautilus pour une meilleure convergence. Les priors sont définis dans le Tableau 1, incluant des priors plats sur les paramètres cosmologiques et des contraintes spécifiques sur le paramètre d'interaction.

Contributions clés

1. Premières contraintes combinées : Ce travail fournit les contraintes les plus strictes pré-Euclid sur le modèle de Diffusion noire en combinant des données photométriques (DES) et spectroscopiques (DESI) avec le CMB et les supernovae.
2. Modélisation non linéaire : L'étude étend l'application du formalisme de réaction du modèle de halo à un modèle DS avec une équation d'état évoluant dans le temps (CPL), en utilisant un émulateur de réseau neuronal personnalisé pour calculer efficacement les spectres de puissance non linéaires.
3. Analyse de synergie : L'article quantifie explicitement la valeur ajoutée des données photométriques (DES Y3) dans la contrainte des modèles d'énergie noire interactive par rapport aux seules données spectroscopiques (DESI) et CMB.

Résultats

• Contraintes d'interaction : Pour toutes les combinaisons de données, le paramètre d'interaction $A_{ds}$ est cohérent avec zéro à $1\sigma$. La seule exception est la combinaison DESI+SN+CMB, qui montre une préférence d'environ $2\sigma$ pour une interaction non nulle ; cependant, les auteurs attribuent cela à des effets de projection et au fait que les sondes de fond (SN, BAO) et le CMB seuls sont faiblement contraignants sur le terme d'interaction.
• Préférence de modèle : Le modèle CPL (non interactif, énergie noire évolutive) est statistiquement préféré au modèle DS. L'analyse du facteur de Bayes indique une preuve « modérée » à « forte » en faveur de CPL par rapport à DS lorsque les données photométriques de DES sont incluses.
• Contraintes paramétriques (Combinaison complète) :
  • CPL : $w_0 = -0,76 \pm 0,06$, $w_a = -0,77^{+0,23}_{-0,20}$.
  • DS : $w_0 = -0,79^{+0,05}_{-0,06}$, $w_a = -0,56^{+0,24}_{-0,15}$, $A_{ds} = 9,8^{+2,8}_{-9,5} \text{ bn/GeV}$.
• Impact des données photométriques : L'inclusion des données DES Y3 améliore le Facteur de Mérite (FoM) sur le plan $(w_0, w_a)$ d'environ $12\%$ pour CPL et d'environ $25\%$ pour DS par rapport à DESI+SN+CMB seul. L'amélioration plus importante pour DS met en évidence la nécessité de données de croissance des structures (comme le lentillage faible) pour contraindre l'amplitude de l'interaction.
• Tension $S_8$ : L'étude ne trouve aucune preuve d'une divergence $S_8$ entre les mesures à faible décalage vers le rouge et les extrapolations du CMB à haut décalage vers le rouge, ni dans les modèles CPL ni dans les modèles DS. Dans le modèle DS, les contraintes CMB dérivées de $S_8$ sont considérablement élargies en raison des dégénérescences avec les paramètres d'énergie noire, les rendant cohérentes avec les mesures à faible décalage vers le rouge.

Signification
L'article affirme que ces résultats représentent les contraintes pré-Euclid les plus rigoureuses sur la Diffusion noire dérivées d'une analyse combinée photométrique et spectroscopique. Les résultats suggèrent que, bien que le modèle DS soit théoriquement viable, les données actuelles ne soutiennent pas une détection d'interactions dans le secteur sombre. L'étude souligne que les données de formation des structures sont essentielles pour briser les dégénérescences dans les modèles interactifs ; sans les contraintes photométriques de DES, la préférence pour CPL par rapport à DS est négligeable. Les auteurs concluent que les tendances observées (préférence pour CPL et absence de tension $S_8$) sont robustes, bien qu'ils notent que de futures recalibrations des données de supernovae ou de nouveaux relevés (Euclid, Rubin) pourraient affiner davantage ces contraintes.