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

技术摘要：演化与相互作用暗能量：DES Y3 与 DESI DR2 的光度与光谱协同

问题陈述
当前的共识宇宙学模型 $\Lambda$CDM 面临新兴的张力，包括来自 DESI 测量的暗能量随时间演化的迹象，以及晚期大尺度结构（LSS）观测与早期宇宙微波背景（CMB）预测之间的 $S_8$ 差异。相互作用暗能量（IDE）模型，特别是涉及暗物质与暗能量之间纯动量交换（III 型模型）的模型，为解决这些问题提供了理论扩展。“暗散射”（DS）模型是一个主要候选者，其中暗能量与冷暗物质通过弹性散射交换动量，在不改变背景膨胀历史的情况下抑制结构增长。然而，对 DS 的约束一直较弱，特别是在与演化的暗能量状态方程结合时。本研究调查了一个扩展的 DS 场景，其中暗能量状态方程根据 Chevallier–Polarski–Linder (CPL) 参数化进行演化，旨在利用光度与光谱数据的协同来约束相互作用强度和暗能量动力学。

方法论
作者进行了联合分析，结合了三个数据集：

1. DES Y3：三个两点相关函数（3$\times$2pt），包括宇宙剪切、星系聚类和星系 - 星系透镜。
2. DESI DR2：重子声学振荡（BAO）测量。
3. 其他探针：来自 DES 第 5 年（Y5）的 Ia 型超新星和来自 Planck 2018 的 CMB 数据。

为了在 DS+CPL 框架下模拟非线性结构形成，作者采用了晕模型反应形式。该方法将非线性物质功率谱 $P_{NL}$ 计算为标准 $\Lambda$CDM 非线性功率谱与一个“增强”函数 $B(k,a)$ 的乘积，该函数解释了相互作用效应。

• 模拟：使用 Cosmopower 平台构建了用于增强函数 $B(k,a)$ 的神经网络模拟器。该模拟器在由 ReACT 代码生成的 $1.4 \times 10^6$ 个谱上进行训练，覆盖波数 $k \in [10^{-2}, 5] h/\text{Mpc}$ 和红移 $z \in [0, 2.5]$。该模拟器在相关范围内实现了约 1% 的精度。
• 参数化：模型引入了 CPL 参数 $\{w_0, w_a\}$ 和相互作用强度。虽然先前的工作使用了参数 $\xi$（截面/质量），但本研究利用参数 $A_{ds} \equiv (1+w)\xi$ 来定义在 pivot 红移（$z_{piv} \approx 0.4$）处的相互作用，以及 $z=0$ 处的值。
• 分析：分析利用了 CosmoSIS 流程。不含 CMB 数据的链使用 Polychord，而包含 CMB 的链使用 Nautilus 以获得更好的收敛性。先验定义见表 1，包括对宇宙学参数的平坦先验以及对相互作用参数的特定约束。

主要贡献

1. 首次联合约束：这项工作通过结合光度（DES）和光谱（DESI）数据以及 CMB 和超新星数据，提供了对暗散射模型最严格的欧几里得卫星（Euclid）发射前的约束。
2. 非线性建模：本研究将晕模型反应形式的应用扩展到了具有随时间演化状态方程（CPL）的 DS 模型，利用定制的神经网络模拟器高效计算非线性功率谱。
3. 协同分析：本文明确量化了与单独使用光谱数据（DESI）和 CMB 相比，光度数据（DES Y3）在约束相互作用暗能量模型方面所增加的额外价值。

结果

• 相互作用约束：对于所有数据组合，相互作用参数 $A_{ds}$ 在 $1\sigma$ 范围内与零一致。唯一的例外是 DESI+SN+CMB 组合，它显示出对非零相互作用的约 $2\sigma$ 偏好；然而，作者将此归因于投影效应，以及背景探针（SN、BAO）和单独 CMB 对相互作用项的约束力较弱。
• 模型偏好：CPL 模型（非相互作用、演化的暗能量）在统计上优于 DS 模型。贝叶斯因子分析表明，当包含 DES 光度数据时，CPL 相对于 DS 具有“中等”到“强”的证据。
• 参数约束（全组合）：
  • CPL：$w_0 = -0.76 \pm 0.06$，$w_a = -0.77^{+0.23}_{-0.20}$。
  • DS：$w_0 = -0.79^{+0.05}_{-0.06}$，$w_a = -0.56^{+0.24}_{-0.15}$，$A_{ds} = 9.8^{+2.8}_{-9.5} \text{ bn/GeV}$。
• 光度数据的影响：包含 DES Y3 数据使 $(w_0, w_a)$ 平面上的品质因数（FoM）相对于单独的 DESI+SN+CMB 提高了约 12%（CPL）和约 25%（DS）。DS 的更大改善突显了结构增长数据（如弱透镜）对于约束相互作用振幅的必要性。
• $S_8$ 张力：研究发现，在 CPL 或 DS 模型中，低红移测量与高红移 CMB 外推之间均无 $S_8$ 差异的证据。在 DS 模型中，由于与暗能量参数的简并性，CMB 导出的 $S_8$ 约束显著变宽，使其与低红移测量一致。

意义
该论文声称，这些结果代表了基于光度与光谱联合分析得出的对暗散射最严格的欧几里得卫星发射前约束。研究结果表明，虽然 DS 模型在理论上是可行的，但当前数据并不支持暗 sector 相互作用的探测。研究强调，结构形成数据对于打破相互作用模型中的简并性至关重要；如果没有来自 DES 的光度约束，CPL 相对于 DS 的偏好可以忽略不计。作者得出结论，观察到的趋势（对 CPL 的偏好和缺乏 $S_8$ 张力）是稳健的，尽管他们指出，未来对超新星数据的重新校准或新的巡天（Euclid、Rubin）可能会进一步细化这些约束。