DOI: https://doi.org/10.1103/bqwg-ff57
تاريخ النشر: 2026-05-29
المؤلف: Tiziano Schiavone وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الكون ونظريات الجاذبية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في إنشاء الجسيمات الناتج عن الجاذبية (PC) كآلية لتسريع الكون في الأوقات المتأخرة، مع معالجة توتر هابل والطبيعة الغامضة للطاقة المظلمة. تستخدم الدراسة إطارًا ديناميكيًا حراريًا للأنظمة المفتوحة، مما يسمح للمعامل \( w_E \) للجسيمات التي تم إنشاؤها بالتغير بحرية. يتم فحص أربعة نماذج ظاهرة لمعدل PC، مع التركيز على الانحرافات عن النموذج الكوني القياسي (ΛCDM) عند الانزياحات الحمراء المنخفضة (0 < \( z \) < 3). يتم تقييد النماذج باستخدام مجموعة بيانات شاملة تشمل الكرونومترات الكونية، والسوبرنوفا من النوع Ia، وقياسات \( H_0 \) المحلية، وتذبذبات الصوت الباريونية، وبيانات الخلفية الكونية الميكروويف. تشير النتائج إلى أنه بينما تتوافق جميع نماذج PC مع الملاحظات، فإنها تقترح سلوكًا مشابهًا للطاقة المظلمة للجسيمات التي تم إنشاؤها، مع تقييد قوي لـ \( w_E < -1/3 \). ومن الجدير بالذكر أن نماذج PC تقلل من توتر هابل إلى حوالي \( 2.4 \sigma - 3 \sigma \)، مقارنة بـ \( 4.3 \sigma \) في إطار ΛCDM. تكشف التحليلات أن نماذج PC توفر ملاءمات قابلة للمقارنة مع ΛCDM، حيث يظهر نموذج واحد خصائص ديناميكية فعالة للطاقة المظلمة. تظهر النتائج أن النماذج تحافظ على التوافق مع تاريخ توسع ΛCDM عند الانزياحات الحمراء العالية بينما تسمح بانحرافات محلية عند الانزياحات الحمراء المنخفضة. من بين النماذج، يبرز PC1 لقدرته على تطوير معادلة حالة الطاقة المظلمة الفعالة \( w_{\text{eff}}^{DE}(z) \) مع الحفاظ على التوافق مع التوسع المعجل. ومع ذلك، تعترف الدراسة بأن تقييد معدل إنشاء الجسيمات هو ظاهرة وتدعو إلى مزيد من الاستكشاف النظري للآليات الأساسية. ستكون البيانات الرصدية المستقبلية من مسوحات الهيكل على نطاق واسع وقياسات محلية محسنة لـ \( H_0 \) ضرورية للتحقق من صحة هذه النماذج كبدائل قابلة للتطبيق للنموذج الكوني القياسي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية قيود النموذج الكوني القياسي، نموذج ΛCDM، ولا سيما اعتماده على ثابت كوني لشرح تسارع الكون في الأوقات المتأخرة، والذي يفتقر إلى أصل فيزيائي أساسي. وقد أدى ذلك إلى استكشاف آليات بديلة، لا سيما إنشاء الجسيمات الناتج عن الجاذبية، والذي يستند إلى نظرية الحقل الكمومي في الزمكان المنحني. تنشأ هذه الظاهرة من الطبيعة المعتمدة على الزمن للخلفية الجاذبية، مما يؤدي إلى إنتاج عفوي للجسيمات، وقد ثبت أنها تستمر طوال تاريخ الكون، مما قد يؤثر على الديناميات في الأوقات المتأخرة.
يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا لإنشاء الجسيمات الناتج عن الجاذبية، مع التركيز على نوع غير معروف من الجسيمات يتميز بمعامل معادلة حالة حر، بدلاً من إطار المادة المظلمة الباردة التقليدي. يهدف هذا النموذج الظاهري إلى تقييد آليات إنشاء الجسيمات مباشرة باستخدام البيانات الرصدية، مع اعتبار الأنواع التي تم إنشاؤها كعنصر من عناصر الطاقة المظلمة. تتناول الورقة أيضًا توتر هابل، وهو تباين كبير بين قياسات ثابت هابل المحلية وقياسات الكون المبكر، مما يشير إلى أن إنتاج الجسيمات الناتج عن الجاذبية قد يوفر إطارًا موحدًا لتسوية هذه الملاحظات. يتم توضيح هيكل الورقة، مع تفاصيل الأقسام اللاحقة التي ستستكشف الإطار الديناميكي الحراري، والتقييدات الظاهرة، والقيود النظرية، والأساليب الرصدية، والنتائج الكونية الرئيسية.
طرق
في هذه الدراسة، يستخدم المؤلفون كود أخذ العينات SimpleMC ويطبقون أخذ العينات المتداخلة عبر مكتبة dynesty Python لتحليل نماذج إنشاء الجسيمات (PC) في علم الكون. تتضمن المنهجية استخدام 1024 نقطة حية مع معيار تقارب قدره 0.01 لمعظم التحليلات، بينما تستخدم تحليل مشترك لمجموعات بيانات متعددة (CC، SN، SH0ES، BAO، وCMB) 500 نقطة حية لتحقيق توازن بين التقارب العددي والكفاءة الحسابية. تم تصميم نماذج PC للتأثير على علم الكون في الأوقات المتأخرة، لا سيما ضمن نطاق الانزياح الأحمر \(0 < z < 3\)، مع استعادة سلوك ΛCDM القياسي عند الانزياحات الحمراء الأعلى. تركز مجموعات البيانات بشكل أساسي على الملاحظات ذات الانزياح الأحمر المنخفض، بما في ذلك الكرونومترات الكونية، وعينة PantheonPlus من السوبرنوفا من النوع Ia، وقياسات تذبذبات الصوت الباريونية، وبيانات CMB المستمدة من بيانات Planck. يقوم المؤلفون بإجراء إجراء شامل لاستنتاج المعلمات، حيث يحسبون \(\chi^2\) المشترك عن طريق جمع المساهمات الفردية من كل مجموعة بيانات لمراقبة سلوك الملاءمة وتحديد التوترات بين الاستقصاءات. يستخدمون أولويات مسطحة للمعلمات ويستخدمون دليل بايزي لمقارنة النماذج، مع تعريف عامل بايزي لتحديد التفضيل النسبي للنماذج المتنافسة. تؤكد الدراسة أيضًا على أهمية الاحتفاظ بالمكونات الكونية القياسية، بما في ذلك الإشعاع، لنسبة دقيقة للانحرافات عن ΛCDM إلى آلية إنشاء الجسيمات. يتم الإبلاغ عن النتائج، بما في ذلك إجمالي \(\chi^2\)، و\(\chi^2\) المخفض، والدليل البايزي، وعوامل بايزي، بشكل منهجي، مما يوفر رؤى حول توتر هابل وفعالية إطار PC في تفسير الملاحظات الكونية.
نتائج
يقدم قسم النتائج قيودًا على المعلمات الكونية المستمدة من مجموعتين متميزتين من البيانات: CC+SN+SH0ES وBAO+CMB. تهدف هذه التحليلات إلى معالجة توتر هابل من خلال تقييم نماذج كونية مختلفة، بما في ذلك نموذج ΛCDM المسطح وتوسعاته. توضح الجداول III و IV نطاقات المعلمات المحددة والأولويات المستخدمة في النماذج، مع تسليط الضوء على القيم للمعلمات مثل $h$، و$\Omega_{m0}$، و$w_0$، و$w_a$، وغيرها عبر نماذج مختلفة.
تشير النتائج إلى أن نموذج ΛCDM المسطح، عند تحليله باستخدام مجموعة بيانات CC+SN+SH0ES، ينتج قيودًا على المعلمات تختلف عن تلك التي تم الحصول عليها باستخدام مجموعة بيانات BAO+CMB. ومن الجدير بالذكر أن تضمين مجموعات بيانات إضافية يبدو أنه يحسن القيود على المعلمات الكونية، مما يشير إلى أن دمج مجموعات بيانات رصدية متعددة أمر حاسم لحل التباينات في قياسات ثابت هابل. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية التحليلات الشاملة في فهم الإطار الكوني الأساسي ومعالجة توتر هابل.
نقاش
في هذا القسم، يؤسس المؤلفون إطارًا ديناميكيًا حراريًا لإنشاء الجسيمات الناتج عن الجاذبية، والذي يعمل كأساس لنماذجهم الكونية. يقومون بتعديل معادلة الحفاظ على عدد الجسيمات القياسية لأخذ في الاعتبار عدم الحفاظ بسبب حقل جاذبية معتمد على الزمن، مما يؤدي إلى المعادلة $\nabla_\mu N^\mu = n\Gamma$، حيث $N^\mu$ هو متجه تدفق الجسيمات، و$n$ هو كثافة العدد، و$\Gamma$ هو معدل إنشاء الجسيمات. يستنتج المؤلفون علاقة عامة للطاقة الداخلية تتضمن إنشاء الجسيمات، مما يوضح أن الإنتروبيا الكلية تزداد مع عدد الجسيمات، وهو افتراض رئيسي في نماذج إنشاء الجسيمات الكونية.
تتم التحليلات ضمن فضاء زمن فريدمان-ليمتر-روبرتسون-ووكر (FLRW)، حيث تحكم ديناميات التوسع الكوني معادلة فريدمان. يفترض المؤلفون أن العنصر الإضافي المرتبط بإنشاء الجسيمات هو الوحيد الذي يظهر معدل إنشاء غير صفري، بينما تبقى المادة والإشعاع محفوظة. يستنتجون معادلة استمرارية معدلة لهذا العنصر الإضافي، مما يؤدي إلى معادلة تسارع كوني تتضمن مساهمات من إنشاء الجسيمات. يتم إدخال الضغط الفعال المرتبط بإنشاء الجسيمات في موتر الطاقة-الزخم، مما يسمح بوصف ماكروسكوبي للعملية التي تتماشى مع النسبية العامة. يستنتج المؤلفون أن إطارهم يمكن أن يحاكي بشكل فعال سلوك الطاقة المظلمة في الكون المتأخر، مع بقاء معامل حالة الطاقة $w_E$ معاملًا حرًا يجب تقييده بواسطة البيانات الرصدية.
DOI: https://doi.org/10.1103/bqwg-ff57
Publication Date: 2026-05-29
Author(s): Tiziano Schiavone et al.
Primary Topic: Cosmology and Gravitation Theories
Overview
This research investigates gravitationally induced particle creation (PC) as a mechanism for late-time cosmic acceleration, addressing the Hubble tension and the enigmatic nature of dark energy. The study employs a thermodynamic framework for open systems, allowing the equation-of-state parameter \( w_E \) of the created particles to vary freely. Four phenomenological parametrizations of the PC rate are examined, focusing on deviations from the standard cosmological model (ΛCDM) at low redshifts (0 < \( z \) < 3). The models are constrained using a comprehensive dataset that includes cosmic chronometers, Type Ia supernovae, local \( H_0 \) measurements, baryon acoustic oscillations, and cosmic microwave background data. The findings indicate that while all PC models are consistent with observations, they suggest a dark-energy-like behavior for the created particles, with \( w_E < -1/3 \) being robustly constrained. Notably, the PC models reduce the Hubble tension to approximately \( 2.4 \sigma - 3 \sigma \), compared to \( 4.3 \sigma \) in the ΛCDM framework. The analysis reveals that the PC models provide fits comparable to ΛCDM, with one model exhibiting effective dynamical dark-energy characteristics. The results show that the models maintain consistency with the ΛCDM expansion history at high redshifts while allowing for localized deviations at lower redshifts. Among the models, PC1 stands out for its capacity to evolve the effective dark-energy equation of state \( w_{\text{eff}}^{DE}(z) \) while remaining consistent with accelerated expansion. However, the study acknowledges that the parametrization of the particle-creation rate is phenomenological and calls for further theoretical exploration of the underlying mechanisms. Future observational data from large-scale structure surveys and improved local measurements of \( H_0 \) will be essential for validating these models as viable alternatives to the standard cosmological paradigm.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the limitations of the standard cosmological model, the ΛCDM paradigm, particularly its reliance on a cosmological constant to explain the Universe’s late-time acceleration, which lacks a fundamental physical origin. This has led to the exploration of alternative mechanisms, notably gravitationally induced particle creation, which is grounded in quantum field theory in curved spacetime. This phenomenon arises from the time-dependent nature of the gravitational background, resulting in spontaneous particle production, and has been shown to persist throughout cosmic history, potentially influencing late-time dynamics.
The authors propose a novel approach to gravitational particle creation, focusing on an unknown particle species characterized by a free equation-of-state parameter, rather than the conventional cold dark matter framework. This phenomenological model aims to directly constrain particle-creation mechanisms using observational data, while treating the created species as a dark energy component. The paper also addresses the Hubble tension, a significant discrepancy between local and early-Universe measurements of the Hubble constant, suggesting that gravitational particle production could provide a unified framework to reconcile these observations. The structure of the paper is outlined, detailing subsequent sections that will explore the thermodynamic framework, phenomenological parametrizations, theoretical constraints, observational methodologies, and key cosmological results.
Methods
In this study, the authors utilize the SimpleMC sampling code and implement Nested Sampling via the dynesty Python library to analyze particle-creation (PC) models in cosmology. The methodology involves employing 1024 live points with a convergence criterion of 0.01 for most analyses, while a joint analysis of multiple datasets (CC, SN, SH0ES, BAO, and CMB) uses 500 live points to balance numerical convergence and computational efficiency. The PC models are designed to influence late-time cosmology, particularly within the redshift range \(0 < z < 3\), with standard ΛCDM behavior restored at higher redshifts. The datasets primarily focus on low-redshift observations, including Cosmic Chronometers, the PantheonPlus sample of Type Ia Supernovae, Baryon Acoustic Oscillation measurements, and CMB likelihoods derived from Planck data. The authors perform a comprehensive parameter inference procedure, calculating the joint \(\chi^2\) by summing individual contributions from each dataset to monitor fit behaviors and identify tensions among probes. They employ flat priors for parameters and utilize Bayesian Evidence for model comparison, defining the Bayes factor to quantify the relative preference for competing models. The study also emphasizes the importance of retaining standard cosmological components, including radiation, to accurately attribute deviations from ΛCDM to the particle-creation mechanism. The results, including total \(\chi^2\), reduced \(\chi^2\), Bayesian evidence, and Bayes factors, are systematically reported, providing insights into the Hubble tension and the efficacy of the PC framework in explaining cosmological observations.
Results
The results section presents constraints on cosmological parameters derived from two distinct dataset combinations: CC+SN+SH0ES and BAO+CMB. These analyses aim to address the Hubble tension by evaluating various cosmological models, including the flat ΛCDM model and its extensions. Tables III and IV detail the specific parameter ranges and priors employed in the models, highlighting the values for parameters such as $h$, $\Omega_{m0}$, $w_0$, $w_a$, and others across different models.
The findings indicate that the flat ΛCDM model, when analyzed with the CC+SN+SH0ES dataset, yields parameter constraints that differ from those obtained using the BAO+CMB dataset. Notably, the inclusion of additional datasets appears to refine the constraints on the cosmological parameters, suggesting that the combination of multiple observational datasets is crucial for resolving discrepancies in the Hubble constant measurements. Overall, the results underscore the importance of comprehensive analyses in understanding the underlying cosmological framework and addressing the Hubble tension.
Discussion
In this section, the authors establish a thermodynamic framework for gravitationally induced particle creation, which serves as a basis for their cosmological models. They modify the standard particle number conservation equation to account for non-conservation due to a time-dependent gravitational field, leading to the equation $\nabla_\mu N^\mu = n\Gamma$, where $N^\mu$ is the particle flux vector, $n$ is the number density, and $\Gamma$ is the particle creation rate. The authors derive a generalized relation for internal energy that incorporates particle creation, demonstrating that the total entropy increases with particle number, a key assumption in cosmological particle-creation models.
The analysis is conducted within a Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) spacetime, where the dynamics of cosmic expansion are governed by the Friedmann equation. The authors assume that only the additional component associated with particle creation exhibits a non-zero creation rate, while matter and radiation remain conserved. They derive a modified continuity equation for this extra component, which leads to a cosmic acceleration equation that includes contributions from particle creation. The effective pressure associated with particle creation is introduced into the energy-momentum tensor, allowing for a macroscopic description of the process that aligns with General Relativity. The authors conclude that their framework can effectively mimic dark energy behavior in the late Universe, with the equation-of-state parameter $w_E$ remaining a free parameter to be constrained by observational data.