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Cosmology intertwined: A review of the particle physics, astrophysics, and cosmology associated with the cosmological tensions and anomalies

Résumé

The standard Lambda Cold Dark Matter (Lambda CDM) cosmological model provides a good description of a wide range of astrophysical and cosmological data. However, there are a few big open questions that make the standard model look like an approximation to a more realistic scenario yet to be found. In this paper, we list a few important goals that need to be addressed in the next decade, taking into account the current discordances between the different cosmological probes, such as the disagreement in the value of the Hubble constant H-0, the sigma(8)-S-8 tension, and other less statistically significant anomalies. While these discordances can still be in part the result of systematic errors, their persistence after several years of accurate analysis strongly hints at cracks in the standard cosmological scenario and the necessity for new physics or generalisations beyond the standard model. In this paper, we focus on the 5.0 sigma tension between the Planck CMB estimate of the Hubble constant H-0 and the SH0ES collaboration measurements. After showing the H-0 evaluations made from different teams using different methods and geometric calibrations, we list a few interesting new physics models that could alleviate this tension and discuss how the next decade's experiments will be crucial. Moreover, we focus on the tension of the Planck CMB data with weak lensing measurements and redshift surveys, about the value of the matter energy density Omega(m), and the amplitude or rate of the growth of structure (sigma(8), f sigma(8)). We list a few interesting models proposed for alleviating this tension, and we discuss the importance of trying to fit a full array of data with a single model and not just one parameter at a time. Additionally, we present a wide range of other less discussed anomalies at a statistical significance level lower than the H-0-S-8 tensions which may also constitute hints towards new physics, and we discuss possible generic theoretical approaches that can collectively explain the non-standard nature of these signals. Finally, we give an overview of upgraded experiments and next-generation space missions and facilities on Earth that will be of crucial importance to address all these open questions. (C) 2022 The Author(s). Published by Elsevier B.V.

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Concepts associés (36)
Cosmologie non standard
Une cosmologie non standard est un modèle cosmologique physique de l'Univers qui a été, ou est toujours, proposé comme alternative au modèle standard de la cosmologie actuellement en vigueur. Le terme non standard s’applique à toute théorie non conforme au consensus scientifique. Comme le terme dépend du consensus en vigueur, sa signification change avec le temps. Par exemple, la matière noire tiède n'aurait pas été considérée comme non standard en 1990, mais l'est en 2010.
Modèle ΛCDM
En cosmologie, le (se prononce « Lambda CDM », qui signifie en anglais Lambda - Cold Dark Matter, c'est-à-dire le modèle « lambda - matière noire froide ») ou modèle de concordance est un modèle cosmologique du Big Bang paramétré par une constante cosmologique notée par la lettre grecque Λ et associée à l'énergie sombre.
Constante cosmologique
La constante cosmologique est un paramètre ajouté par Einstein en février 1917 à ses équations de la relativité générale (1915), dans le but de rendre sa théorie compatible avec l'idée qu'il avait alors d'un Univers statique. La constante cosmologique est notée . Elle a la dimension d'une courbure de l'espace, . Depuis la fin des années 1990, les développements de la cosmologie ont montré que l'expansion de l'Univers, interprétée en termes de masse et d'énergie, pouvait être attribuée à 68 % à une « énergie sombre » dont l'effet est celui de la constante cosmologique.
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