Exploring the Dark Sector: Interacting Radiation in Light of Modern Cosmological Probes

Résumé technique : Exploration du secteur sombre : rayonnement interagissant à la lumière des sondes cosmologiques modernes

Énoncé du problème
L'article traite de la « tension de Hubble » persistante, une discordance significative entre les estimations de la constante de Hubble ($H_0$) dérivées du fond diffus cosmologique (CMB) dans l'univers primordial sous le modèle standard $\Lambda$CDM et les mesures directes tardives issues de la collaboration SH0ES. De plus, les auteurs examinent une légère discordance dans le paramètre de densité de matière ($\Omega_m$) entre le CMB et les mesures récentes des oscillations acoustiques baryoniques (BAO) de la version 2 des données (DR2) de l'instrument spectroscopique pour l'énergie sombre (DESI). L'étude explore si un cadre phénoménologique de rayonnement sombre (DR), composé de composantes à libre parcours moyen et de type fluide, peut atténuer ces tensions sans violer les contraintes observationnelles.

Méthodologie
Les auteurs emploient une extension indépendante du modèle du secteur de rayonnement standard, introduisant deux paramètres supplémentaires au modèle $\Lambda$CDM standard : $N_{fs}$ (nombre effectif d'espèces à libre parcours moyen) et $N_{fld}$ (nombre effectif d'espèces de type fluide). Le nombre effectif total d'espèces relativistes est défini comme $N_{tot} = N_{fs} + N_{fld}$.

• Ensembles de données : L'analyse combine les données CMB de Planck PR4 (température, polarisation et lentillage), les mesures BAO de DESI DR2 (couvrant $0.1 < z < 4.2$) et les données de supernovae de type Ia de Pantheon+ et de la réanalyse « Dovekie » de l'année 5 de DES (DESY5). Dans des scénarios spécifiques, la mesure de l'échelle de distance directe de $H_0$ par SH0ES est incluse pour tester l'atténuation de la tension.
• Cadre de calcul : L'inférence des paramètres cosmologiques est réalisée à l'aide de l'échantillonneur MCMC Cobaya interfacé avec le solveur de Boltzmann CLASS (v3.2.5). Les effets du DR sont modélisés à l'aide du module N_idr pour le rayonnement de type fluide et de N_ur pour le rayonnement à libre parcours moyen.
• Contraintes : L'analyse suppose un univers plat, fixe la somme des masses des neutrinos à 0,06 eV et impose la cohérence avec la nucléosynthèse primordiale (BBN) pour la fraction d'hélium primordial ($Y_{He}$), calculée de manière auto-cohérente via le code PArthENoPE.
• Comparaison de modèles : Le cadre DR est comparé au modèle $\Lambda$CDM standard et à un modèle d'énergie sombre évolutive (EvoDE) ($w_0wa$CDM) en utilisant des outils de sélection bayésienne de modèles : le critère d'information de déviance (DIC) et le rapport de densité Savage-Dickey (SDDR) pour calculer le facteur de Bayes ($\ln B$).

Résultats clés

1. Contraintes sur le rayonnement sombre :

   • À partir des données CMB seules, la composante de type fluide est contrainte à $N_{fld} < 0,66$ (à 95 % de niveau de confiance).
   • La combinaison des données CMB avec les données BAO de DESI DR2 donne $N_{fs} = 2,93 \pm 0,23$ et $N_{fld} = 0,36^{+0,16}_{-0,21}$ (à 68 % de niveau de confiance). Ces résultats sont cohérents avec les attentes du Modèle Standard pour le rayonnement à libre parcours moyen ($N_{fs} \approx 3,044$) et permettent une petite composante de type fluide non nulle.
   • La fraction à libre parcours moyen $f_{fs}$ reste cohérente avec la prédiction du Modèle Standard ($f_{fs} \approx 0,4087$).

2. Atténuation de la tension de Hubble :

   • Le cadre DR réduit considérablement la tension de Hubble. Lors de la combinaison des données CMB et BAO, la tension avec SH0ES passe de « hautement significative » dans $\Lambda$CDM à « statistiquement non significative » dans le cadre DR (cotes du test statistique d'environ 1:1).
   • Cette atténuation est obtenue en augmentant le taux d'expansion précoce, ce qui réduit l'échelle de l'horizon sonore ($r_d$). Avec l'inclusion de SH0ES, les paramètres inférés sont $H_0 = 71,80 \pm 0,75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, $N_{tot} = 3,63^{+0,13}_{-0,15}$ et $r_d = 141,8^{+1,3}_{-1,2}$ Mpc.
   • Les modifications de l'histoire de l'expansion induites par le DR restent dans les $\sim 2 \%$ de la prédiction $\Lambda$CDM, cohérentes avec les contraintes tardives.

3. Impact sur l'hélium primordial :

   • La densité de rayonnement accrue accélère le taux d'expansion pendant la BBN, conduisant à un gel plus précoce des neutrons et des protons et à une fraction d'hélium primordial plus élevée.
   • Dans le scénario DR avec les données SH0ES, la valeur inférée est $Y_{He} = 0,2530 \pm 0,0017$. Cette valeur se situe environ à $2\text{--}2,5\sigma$ au-dessus des déterminations directes provenant de régions H II pauvres en métaux (par exemple, EMPRESS, Valerdi et al.) mais reste cohérente avec les mesures des systèmes d'absorption intergalactiques (Cooke & Fumagalli) compte tenu de leurs plus grandes incertitudes.

4. Sélection de modèles :

   • Sans SH0ES : Lorsque les données CMB, BAO et SNE non calibrées sont utilisées, la preuve bayésienne ne favorise pas de manière décisive le DR par rapport à $\Lambda$CDM ; les résultats varient d'un désavantage faible à une conclusion non tranchée. Le modèle d'énergie sombre évolutive ($w_0wa$CDM) montre une préférence faible à modérée par rapport à $\Lambda$CDM selon certains critères mais manque de preuves décisives.
   • Avec SH0ES : L'inclusion de l'étalonnage SH0ES conduit à une preuve bayésienne « décisive » en faveur du cadre DR par rapport à $\Lambda$CDM. En revanche, le modèle $w_0wa$CDM ne parvient pas à résoudre la tension avec les données SH0ES et reste statistiquement incohérent avec les données calibrées sur l'univers primordial.

Signification et conclusions
L'article conclut que le cadre du rayonnement sombre offre une solution phénoménologique convaincante à la tension de Hubble. En introduisant un mélange d'espèces relativistes à libre parcours moyen et de type fluide, le modèle peut concilier les données CMB, BAO et SH0ES. La résolution s'accompagne du coût d'une augmentation du nombre effectif d'espèces relativistes à $N_{tot} \approx 3,6$ et de la prédiction d'une abondance d'hélium primordial légèrement plus élevée. Bien que la prédiction de l'hélium crée une légère tension avec des mesures directes spécifiques d'abondance, les auteurs affirment que les résultats restent statistiquement compatibles dans le cadre des incertitudes observationnelles actuelles.

L'étude met en évidence que, bien que les données actuelles n'excluent pas de manière décisive le modèle standard, l'inclusion des mesures locales de $H_0$ favorise fortement le scénario DR par rapport aux modèles $\Lambda$CDM et d'énergie sombre évolutive. Les auteurs suggèrent que de futures contraintes sur $N_{tot}$ utilisant le regroupement des galaxies en forme complète et les données de la forêt Lyman-$\alpha$, conjointement avec les futures missions CMB comme LiteBird et l'Observatoire Simons, seront essentielles pour confirmer ou exclure définitivement cette physique du secteur sombre.