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

Resumo Técnico: Energia Escura Evolutiva e Interagente: Sinergia Fotométrica e Espectroscópica com DES Y3 e DESI DR2

Declaração do Problema
O modelo cosmológico de concordância atual, $\Lambda$CDM, enfrenta tensões emergentes, incluindo indicações de energia escura com evolução temporal a partir de medições do DESI e a discrepância $S_8$ entre observações de Estrutura em Grande Escala (LSS) em tempos tardios e previsões da Radiação Cósmica de Fundo (CMB) em tempos iniciais. Modelos de Energia Escura Interagente (IDE), especificamente aqueles envolvendo troca pura de momento (modelos Tipo III) entre matéria escura e energia escura, oferecem uma extensão teórica para abordar essas questões. O modelo de "Espalhamento Escuro" (DS) é um candidato proeminente onde a energia escura e a matéria escura fria trocam momento via espalhamento elástico, suprimindo o crescimento de estruturas sem alterar a história de expansão de fundo. No entanto, as restrições sobre o DS têm sido fracas, particularmente quando combinadas com equações de estado de energia escura evolutivas. Este estudo investiga um cenário DS estendido onde a equação de estado da energia escura evolui de acordo com a parametrização Chevallier–Polarski–Linder (CPL), visando restringir a força de interação e a dinâmica da energia escura usando uma sinergia de dados fotométricos e espectroscópicos.

Metodologia
Os autores realizam uma análise conjunta combinando três conjuntos de dados:

1. DES Y3: Três funções de correlação de dois pontos (3$\times$2pt) incluindo cisalhamento cósmico, agrupamento de galáxias e lenteamento galáxia-galáxia.
2. DESI DR2: Medições de Oscilações Acústicas Bariônicas (BAO).
3. Probes Adicionais: Supernovas Tipo Ia do DES Ano 5 (Y5) e dados da CMB do Planck 2018.

Para modelar a formação de estruturas não lineares no quadro DS+CPL, os autores empregam o formalismo de reação do modelo de halos. Esta abordagem calcula o espectro de potência da matéria não linear $P_{NL}$ como o produto de um espectro não linear padrão $\Lambda$CDM e uma função de "impulso" (boost) $B(k,a)$, que contabiliza os efeitos da interação.

• Emulação: Um emulador de rede neural para a função de impulso $B(k,a)$ foi construído usando a plataforma Cosmopower. O emulador foi treinado em $1.4 \times 10^6$ espectros gerados pelo código ReACT, cobrindo números de onda $k \in [10^{-2}, 5] h/\text{Mpc}$ e redshifts $z \in [0, 2.5]$. O emulador alcança precisão de $\sim 1\%$ no regime relevante.
• Parametrização: O modelo introduz os parâmetros CPL $\{w_0, w_a\}$ e a força de interação. Enquanto trabalhos anteriores usaram um parâmetro $\xi$ (seção de choque por massa), este estudo utiliza o parâmetro $A_{ds} \equiv (1+w)\xi$ para definir a interação em um redshift de pivô ($z_{piv} \approx 0.4$), juntamente com o valor em $z=0$.
• Análise: A análise utiliza o pipeline CosmoSIS. Cadeias sem dados da CMB usam Polychord, enquanto aquelas incluindo CMB usam Nautilus para melhor convergência. As priores são definidas na Tabela 1, incluindo priores uniformes em parâmetros cosmológicos e restrições específicas no parâmetro de interação.

Principais Contribuições

1. Primeiras Restrições Combinadas: Este trabalho fornece as restrições mais rigorosas pré-Euclid sobre o modelo de Espalhamento Escuro, combinando dados fotométricos (DES) e espectroscópicos (DESI) com CMB e Supernovas.
2. Modelagem Não Linear: O estudo estende a aplicação do formalismo de reação do modelo de halos a um modelo DS com uma equação de estado evolutiva no tempo (CPL), utilizando um emulador personalizado de rede neural para calcular eficientemente espectros de potência não lineares.
3. Análise de Sinergia: O artigo quantifica explicitamente o valor agregado dos dados fotométricos (DES Y3) na restrição de modelos de energia escura interagente em comparação com dados espectroscópicos (DESI) e CMB isoladamente.

Resultados

• Restrições de Interação: Para todas as combinações de dados, o parâmetro de interação $A_{ds}$ é consistente com zero dentro de $1\sigma$. A única exceção é a combinação DESI+SN+CMB, que mostra uma preferência de $\sim 2\sigma$ por interação não nula; no entanto, os autores atribuem isso a efeitos de projeção e ao fato de que sondas de fundo (SN, BAO) e CMB isoladamente são fracamente restritivas sobre o termo de interação.
• Preferência de Modelo: O modelo CPL (energia escura não interagente, evolutiva) é estatisticamente preferido sobre o modelo DS. A análise do fator de Bayes indica evidência "moderada" a "forte" para CPL sobre DS quando dados fotométricos do DES são incluídos.
• Restrições de Parâmetros (Combinação Completa):
  • CPL: $w_0 = -0.76 \pm 0.06$, $w_a = -0.77^{+0.23}_{-0.20}$.
  • DS: $w_0 = -0.79^{+0.05}_{-0.06}$, $w_a = -0.56^{+0.24}_{-0.15}$, $A_{ds} = 9.8^{+2.8}_{-9.5} \text{ bn/GeV}$.
• Impacto dos Dados Fotométricos: A inclusão de dados do DES Y3 melhora a Figura de Mérito (FoM) no plano $(w_0, w_a)$ em $\sim 12\%$ para CPL e $\sim 25\%$ para DS em relação ao DESI+SN+CMB isoladamente. A maior melhoria para DS destaca a necessidade de dados de crescimento de estruturas (como lenteamento fraco) para restringir a amplitude de interação.
• Tensão $S_8$: O estudo não encontra evidências de uma discrepância $S_8$ entre medições de baixo redshift e extrapolações de CMB de alto redshift em nenhum dos modelos CPL ou DS. No modelo DS, as restrições de $S_8$ derivadas do CMB são significativamente alargadas devido a degenerescências com parâmetros de energia escura, tornando-as consistentes com medições de baixo redshift.

Significância
O artigo afirma que estes resultados representam as restrições mais rigorosas pré-Euclid sobre o Espalhamento Escuro derivadas de uma análise combinada fotométrica e espectroscópica. As descobertas sugerem que, embora o modelo DS seja teoricamente viável, os dados atuais não suportam uma detecção de interações no setor escuro. O estudo enfatiza que dados de formação de estruturas são críticos para quebrar degenerescências em modelos interagentes; sem as restrições fotométricas do DES, a preferência por CPL sobre DS é negligenciável. Os autores concluem que as tendências observadas (preferência por CPL e ausência de tensão $S_8$) são robustas, embora notem que futuras recalibrações de dados de supernovas ou novos levantamentos (Euclid, Rubin) podem refinar ainda mais essas restrições.