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

技術的概要：進化し相互作用する暗黒エネルギー：DES Y3 と DESI DR2 による測光データと分光データの相乗効果

問題提起
現在の合意形成された宇宙論モデルである$\Lambda$CDM は、DESI 測定から得られる時間的に変化する暗黒エネルギーの示唆や、後期宇宙の大規模構造（LSS）観測と初期宇宙の宇宙マイクロ波背景放射（CMB）予測との間の$S_8$不一致を含む、新たな緊張関係に直面している。特に、暗黒物質と暗黒エネルギー間の純粋な運動量交換（III 型モデル）を伴う相互作用する暗黒エネルギー（IDE）モデルは、これらの課題に対処するための理論的拡張を提供する。「ダーク散乱（DS）」モデルは、暗黒エネルギーと冷たい暗黒物質が弾性散乱を通じて運動量を交換し、背景の膨張履歴を変えずに構造の成長を抑制する有力な候補である。しかし、DS に対する制約は弱く、特に時間変化する暗黒エネルギーの状態方程式と組み合わせた場合、その制約はさらに弱い。本研究では、暗黒エネルギーの状態方程式がチェバリエ・ポラールスキ・リンダー（CPL）パラメータ化に従って進化するという拡張された DS シナリオを調査し、測光データと分光データの相乗効果を用いて相互作用の強度と暗黒エネルギーのダイナミクスを制約することを目的とする。

手法
著者は以下の 3 つのデータセットを組み合わせた共同分析を実施した。

1. DES Y3: 宇宙せん断、銀河クラスタリング、銀河 - 銀河レンズを含む 3 つの 2 点相関関数（3$\times$2pt）。
2. DESI DR2: バリオン音響振動（BAO）測定。
3. 追加プローブ: DES 第 5 年（Y5）からの Ia 型超新星と、Planck 2018 からの CMB データ。

DS+CPL 枠組みにおける非線形構造形成をモデル化するため、著者はハロモデル反応形式を採用した。このアプローチは、相互作用効果を考慮した「ブースト」関数$B(k,a)$を標準的な$\Lambda$CDM 非線形スペクトルと掛け合わせることで、非線形物質パワースペクトル$P_{NL}$を計算する。

• エミュレーション: Cosmopowerプラットフォームを用いて、ブースト関数$B(k,a)$のニューラルネットワークエミュレータを構築した。このエミュレータは、ReACTコードによって生成された$1.4 \times 10^6$個のスペクトル（波数$k \in [10^{-2}, 5] h/\text{Mpc}$、赤方偏移$z \in [0, 2.5]$を網羅）を用いて訓練された。エミュレータは関連領域において約 1% の精度を達成している。
• パラメータ化: モデルには CPL パラメータ$\{w_0, w_a\}$と相互作用強度を導入する。先行研究では断面積を質量で割ったパラメータ$\xi$を使用していたが、本研究ではピボット赤方偏移（$z_{piv} \approx 0.4$）および$z=0$における値を定義するために、相互作用を定義するパラメータ$A_{ds} \equiv (1+w)\xi$を採用した。
• 分析: 分析にはCosmoSISパイプラインを使用した。CMB データを含まない連鎖にはPolychordを、CMB を含む連鎖には収束性の向上を図るためにNautilusを使用した。事前分布は表 1 に定義されており、宇宙論パラメータに対する一様事前分布と、相互作用パラメータに対する特定の制約が含まれている。

主要な貢献

1. 初の統合制約: 本論文は、測光データ（DES）と分光データ（DESI）を CMB および超新星と組み合わせることで、ダーク散乱モデルに対するユーリッド衛星（Euclid）以前で最も厳格な制約を提供する。
2. 非線形モデリング: 本研究は、時間的に変化する状態方程式（CPL）を持つ DS モデルに対してハロモデル反応形式の適用を拡張し、非線形パワースペクトルを効率的に計算するためにカスタムニューラルネットワークエミュレータを活用した。
3. 相乗効果分析: 本論文は、分光データ（DESI）と CMB 単独と比較して、相互作用する暗黒エネルギーモデルを制約する上で測光データ（DES Y3）が追加する価値を明示的に定量化した。

結果

• 相互作用の制約: すべてのデータ組み合わせにおいて、相互作用パラメータ$A_{ds}$は$1\sigma$内でゼロと一致する。唯一の例外は DESI+SN+CMB の組み合わせであり、これは非ゼロの相互作用を約$2\sigma$で支持しているが、著者はこれを投影効果と、背景プローブ（SN、BAO）および CMB 単独が相互作用項に対して制約が弱いことに起因すると帰属している。
• モデルの選好: CPL モデル（相互作用なし、進化する暗黒エネルギー）は、統計的に DS モデルよりも好まれる。ベイズ因子分析は、DES 測光データが含まれる場合、DS に対する CPL の支持が「中程度」から「強い」証拠であることを示している。
• パラメータ制約（完全な組み合わせ）:
  • CPL: $w_0 = -0.76 \pm 0.06$, $w_a = -0.77^{+0.23}_{-0.20}$。
  • DS: $w_0 = -0.79^{+0.05}_{-0.06}$, $w_a = -0.56^{+0.24}_{-0.15}$, $A_{ds} = 9.8^{+2.8}_{-9.5} \text{ bn/GeV}$。
• 測光データの影響: DES Y3 データを含めることは、DESI+SN+CMB 単独と比較して、$(w_0, w_a)$平面における図式指標（FoM）を CPL で約 12%、DS で約 25% 改善する。DS におけるより大きな改善は、相互作用振幅を制約するために構造成長データ（弱い重力レンズなど）が必要であることを浮き彫りにしている。
• $S_8$の緊張関係: 本研究は、CPL モデルおよび DS モデルのいずれにおいても、低赤方偏移測定と高赤方偏移 CMB 外挿との間に$S_8$の不一致を示す証拠は見つからなかった。DS モデルでは、暗黒エネルギーパラメータとの縮退により、CMB 由来の$S_8$制約が大幅に広がり、低赤方偏移測定と一致するようになる。

重要性
本論文は、これらの結果が、測光および分光の統合分析から導き出されたダーク散乱に対するユーリッド衛星以前で最も厳密な制約を表すと主張している。知見は、DS モデルが理論的に可能ではあるものの、現在のデータは暗黒セクターの相互作用の検出を支持していないことを示唆している。本研究は、相互作用モデルにおける縮退を破るために構造形成データが重要であることを強調しており、DES からの測光制約がなければ、CPL に対する DS の選好は無視できるほど小さい。著者は、観測された傾向（CPL への選好と$S_8$の緊張関係の欠如）は堅牢であると結論付けているが、将来の超新星データの再較正や新しい観測（ユーリッド、ルビン）によってこれらの制約がさらに洗練される可能性があることに言及している。