KiDS-Legacy: Constraints on Horndeski gravity from weak lensing combined with galaxy clustering and cosmic microwave background anisotropies

Probleemstelling

Het standaardmodel van de kosmologie, $\Lambda$CDM (Lambda-koude donkere materie), is uiterst succesvol in het verklaren van veel waarnemingen, maar staat voor uitdagingen. Enerzijds zijn er discrepanties in de uitdijingssnelheid van het heelal tussen vroege en late tijden (de $H_0$-spanning). Anderzijds is er geen fundamentele fysica die de waarde van de kosmologische constante verklaart. Dit heeft geleid tot onderzoek naar modellen die verder gaan dan $\Lambda$CDM, waaronder modificaties van de zwaartekracht.

Een populaire klasse van dergelijke theorieën is de Horndeski-graviteit, de meest algemene scalaire-tensortheorie in vier dimensies. Echter, het testen van deze theorieën is complex omdat veel modellen instabiel kunnen zijn (bijvoorbeeld door "ghost" of "gradient" instabiliteiten). Traditionele parameterisaties in de Effectieve Veldtheorie (EFT) vereisen vaak complexe checks om te garanderen dat de geselecteerde modellen fysiek realiseerbaar zijn. Bovendien is er een behoefte aan een robuuste test van deze theorieën met de nieuwste, hoogwaardige data, zoals de definitieve dataset van de KiDS-survey.

Methodologie

De auteurs voeren een gezamenlijke analyse uit van meerdere kosmologische probes om de Horndeski-graviteit te beperken:

1. Data:

   • KiDS-Legacy: De vijfde en definitieve data-release van de Kilo-Degree Survey, meting van kosmische schering (weak lensing).
   • DESI & eBOSS: Metingen van Baryon Acoustic Oscillations (BAO) en Redshift Space Distortions (RSD) voor structuurgroei.
   • Planck: Anisotropieën in de kosmische microgolfachtergrond (CMB).

2. Theoretisch Kader:

   • De studie gebruikt een Effectieve Veldtheorie (EFT) benadering binnen het Horndeski-ramenwerk.
   • Innovatie: In plaats van de traditionele $\alpha$-functies te gebruiken, maken de auteurs gebruik van een inherently stable parameter basis (ontwikkeld door Kennedy et al. en geïmplementeerd in de code mochi_class). Deze parameterisatie garandeert dat de geselecteerde modellen per constructie vrij zijn van ghost- en gradient-instabiliteiten.
   • De gebruikte parameters zijn:
     • $\hat{D}_{kin}$: De ont-mengde kinetische term van de scalair veldstoring.
     • $\Delta \hat{M}^2_{\ast}$: De afwijking van de effectieve Planck-massa ten opzichte van de GR-waarde.
     • $\hat{c}^2_s$: De effectieve geluidssnelheid (in sommige analyses vastgehouden).
   • De analyse omvat ook een vergelijking met de traditionele parameterisatie via de $\alpha$-functies ($\hat{\alpha}_B, \hat{\alpha}_M$).

3. Analyse Setup:

   • De auteurs gebruiken de Nautilus sampler binnen het CosmoSIS raamwerk.
   • Ze testen twee achtergrondmodellen: een vast $\Lambda$CDM-model en een dynamisch donkere-energiemodel (CPL-parameterisatie met $w_0$ en $w_a$).
   • Ze nemen rekening met niet-lineaire effecten via het HMcode2020 halo-model en een Vainshtein-schermingsmechanisme om GR op kleine schalen te herstellen.

Belangrijkste Bijdragen

• Eerste stabiele analyse: Dit is de eerste kosmologische analyse die Horndeski-graviteit volledig onderzoekt binnen een inherente stabiele parameterbasis, wat de efficiëntie van de Monte Carlo-sampling verbetert en numerieke instabiliteiten elimineert.
• Gecombineerde dataset: Voor het eerst worden de volledige KiDS-Legacy weak lensing-data gecombineerd met DESI, eBOSS en Planck-data om Horndeski-modellen te testen.
• Ontknoping van degeneraties: De studie toont aan hoe de keuze van de parameterbasis (stabiel vs. traditioneel) de correlaties tussen parameters en de afgeleide grootheden (zoals de effectieve zwaartekrachtskoppeling) beïnvloedt.

Resultaten

1. Beperkingen op Horndeski-parameters:

   • De huidige waarden van de parameters worden beperkt tot:
     • $\Delta \hat{M}^2_{\ast} = 0.32^{+0.07}_{-0.21}$ (afwijking van GR bij $1.5\sigma$).
     • $\hat{D}_{kin} = 3.74^{+0.69}_{-1.92}$ (afwijking van GR bij $1.9\sigma$).
   • De afgeleide braiding-term ($\alpha_{B,0}$) wijkt af van nul met een significantie van ongeveer $2\sigma$.
   • De afwijking van de effectieve Newtoniaanse koppelingsconstante is $\Delta \mu_{\infty,eff} = 0.066 \pm 0.023$, wat overeenkomt met een significantie van $2.9\sigma$.

2. Structuurgroei ($S_8$):

   • De structuurgroei-parameter wordt bepaald als $S_8 = 0.813^{+0.008}_{-0.011}$.
   • Dit resultaat is consistent met de $\Lambda$CDM-beperkingen (verschil van $0.54\sigma$) en lost de eerdere spanning op tussen KiDS en Planck op.

3. Modelvergelijking:

   • Hoewel het gemodificeerde zwaartekrachtsmodel een iets betere fit biedt aan de data (lagere $\chi^2$), is de voorkeur voor gemodificeerde graviteit ten opzichte van $\Lambda$CDM slechts $1.4\sigma$. Dit is statistisch niet significant; de data is volledig verenigbaar met het standaardmodel.
   • De kosmische schering (weak lensing) blijkt de belangrijkste drijvende kracht achter de beperkingen op de gemodificeerde graviteit, zelfs meer dan de CMB-data in bepaalde parameterbereiken.

4. Dynamische Donkere Energie:

   • Wanneer een dynamisch donkere-energiemodel ($w_0wa$CDM) wordt aangenomen, blijven de beperkingen op de gemodificeerde gravitatieparameters stabiel.
   • Er is een lichte voorkeur ($1.57\sigma$) voor dynamische donkere energie, maar dit is grotendeels gedreven door de lensing-anomalie-parameter ($A_L$) in de Planck-data. Zonder deze parameter te marginaliseren, zou de voorkeur voor dynamische donkere energie sterker zijn.

Betekenis en Conclusie

De studie concludeert dat de definitieve KiDS-Legacy-data, in combinatie met andere grote surveys, broadly consistent is met structuurvorming die wordt gedomineerd door de Algemene Relativiteitstheorie (GR) en koude donkere materie.

Hoewel er een kleine, statistisch niet-significante afwijking van GR wordt waargenomen in de effectieve Newtoniaanse koppeling ($2.9\sigma$), is de verbetering in de modelfit te klein om het standaardmodel te verwerpen. De studie benadrukt het belang van het gebruik van stabiele parameterbases voor toekomstige analyses, aangezien dit zorgt voor numerieke stabiliteit en een efficiëntere verkenning van de theorie-ruimte. De resultaten bevestigen dat kosmische schering een cruciale rol speelt in het testen van alternatieve zwaartekrachtstheorieën, vaak concurrerend met of zelfs superieur aan CMB-metingen.