Constraints on Rastall gravity from current observational data

Résumé technique : Contraintes sur la gravité de Rastall à partir des données observationnelles actuelles

Énoncé du problème
Bien que le modèle standard $\Lambda$CDM au sein de la Relativité Générale (RG) décrive avec succès l'évolution cosmique, il fait face à des défis théoriques et observationnels importants. Notamment, il existe une tension de $\approx 6\sigma$ entre les mesures locales directes de la constante de Hubble ($H_0$) et celles déduites des données du Fond Diffus Cosmologique (CMB) sous l'hypothèse $\Lambda$CDM. De plus, une légère divergence existe concernant le paramètre de regroupement de la matière $S_8$, où les observations locales suggèrent une croissance de structure moins importante que celle prédite par les données de Planck. Ces tensions motivent l'exploration d'une physique au-delà de la RG. Cet article étudie la gravité de Rastall, une modification phénoménologique où la conservation covariante du tenseur énergie-impulsion est relaxée en $\nabla_\mu T^\mu_\nu = \lambda \nabla_\nu R$, introduisant un couplage non minimal entre la matière et la géométrie.

Méthodologie
Les auteurs mènent une analyse cosmologique complète de la gravité de Rastall en :

1. Dérivant les équations de champ : Ils formulent les équations de champ modifiées pour la gravité de Rastall tant au niveau de l'arrière-plan (métrique FLRW) qu'au niveau des perturbations linéaires (dans les jauges synchrone et de Newton conforme). Le modèle est paramétré par un paramètre de Rastall sans dimension $\beta = \kappa\lambda$.
2. Implémentation numérique : Les auteurs ont modifié le code de Boltzmann CLASS (Cosmic Linear Anisotropy Solving System) pour incorporer les équations de champ de la gravité de Rastall dérivées, en se concentrant spécifiquement sur l'évolution des observables cosmologiques lorsque l'énergie noire est traitée comme une constante cosmologique.
3. Contraintes observationnelles : Ils ont réalisé une analyse par Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) en utilisant le package Monte Python. L'analyse a utilisé un ensemble de données combinées comprenant :
   • Données du CMB de Planck 2018 (TT, TE, EE à haut-$l$ ; TT, EE à bas-$l$ ; lentillage).
   • Planck-SZ (effet Sunyaev-Zeldovich).
   • CFHTLenS (lentillage faible).
   • Pantheon+ (supernovae de type Ia).
   • BAO (oscillations acoustiques baryoniques) et BAORSD (distorsions dans l'espace des redshifts).
4. Comparaison de modèles : L'étude compare les meilleurs paramètres de ajustement et les contraintes dérivées de la gravité de Rastall par rapport au modèle standard $\Lambda$CDM, en utilisant le critère d'information d'Akaike (AIC) pour évaluer la préférence du modèle.

Contributions clés et résultats

• Suppression de la croissance des structures : L'analyse numérique révèle que la gravité de Rastall prédit un taux de croissance plus faible pour les structures cosmiques par rapport à $\Lambda$CDM. Ceci est mis en évidence par les diagrammes du spectre de puissance de la matière, du contraste de densité de la matière et du potentiel Newtonien. Cette suppression s'aligne sur les observations de la structure à grande échelle à bas redshift qui rapportent des valeurs de $S_8$ plus faibles que celles de Planck.
• Oscillations acoustiques de la matière : Le couplage non minimal entre matière et géométrie inhérent à la gravité de Rastall induit des oscillations acoustiques de la matière. Celles-ci sont visibles dans le spectre de puissance de la matière, les perturbations de densité et les perturbations de vitesse, une caractéristique absente de la RG standard.
• Tension de Hubble : L'étude conclut que la gravité de Rastall, avec une constante cosmologique comme composante d'énergie noire, ne résout pas la tension de Hubble ; au contraire, la tension devient plus sévère dans le modèle de Rastall. La meilleure valeur de ajustement pour $H_0$ dans le modèle de Rastall est plus basse ($68,42$ km/s/Mpc) que dans $\Lambda$CDM, augmentant la divergence avec les mesures locales de $H_0$. L'incertitude au niveau de confiance de $68\%$ est de $0,37$ km/s/Mpc, avec une incertitude au niveau de confiance de $95\%$ de $0,75$ km/s/Mpc.
• Contraintes de paramètres : L'analyse MCMC contraint le paramètre de Rastall à $\beta \approx -3,27 \times 10^{-7}$, indiquant une déviation par rapport à la RG standard ($\beta=0$) avec une signification supérieure à $3\sigma$. L'âge de l'univers dérivé dans la gravité de Rastall ($t_0 = 13,74$ Gyr) est légèrement supérieur à celui de $\Lambda$CDM ($13,72$ Gyr), offrant potentiellement un meilleur accord avec l'âge des objets astrophysiques les plus anciens.
• Préférence du modèle : L'analyse du critère d'information d'Akaike (AIC) produit un $\Delta \text{AIC} = 29,24$ en faveur de la gravité de Rastall par rapport à $\Lambda$CDM, suggérant que le modèle de Rastall fournit un ajustement statistiquement supérieur aux données observationnelles combinées malgré le paramètre supplémentaire.
• Similitude théorique : Les auteurs notent des similitudes numériques entre la gravité de Rastall et la gravité $f(R, T)$, où les deux modèles présentent des comportements évolutifs comparables pour les observables cosmologiques malgré des fondements théoriques différents.

Signification
L'article conclut que si la gravité de Rastall répond avec succès à la tension $S_8$ en prédisant une croissance de structure supprimée cohérente avec les sondes locales, elle échoue à atténuer la tension de $H_0$ et l'aggrave même sous l'hypothèse d'une constante cosmologique. La forte préférence statistique pour le modèle de Rastall basée sur l'AIC suggère que le couplage non minimal entre la matière et la géométrie est une voie viable pour décrire l'évolution cosmique. Les auteurs affirment que ces résultats méritent une investigation plus approfondie en utilisant des ensembles de données observationnelles plus précis et plus fiables pour caractériser pleinement la viabilité de la gravité de Rastall comme alternative à la cosmologie standard.