[論文レビュー] A consistency test of the cosmological model at the epoch of recombination using DESI BAO and Planck measurements

Levon Pogosian, Gong‐Bo Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、DESI Year 1 BAOデータに加え、Planck CMB音響スケール$\theta_\star$と$\Omega_{\rm m}h^2$の事前分布を組み合わせ、バリオン脱結合時の音響距離($r_{\rm d}$)を自由パラメータとして扱うことで、再結合における標準的コスモロジー・モデルをテストする。$H_0 = 69.88 \pm 0.93$ km/s/Mpcの結果が得られ、これはPlanck-$\Lambda$CDMの最適適合値よりも$\sim 2\sigma$高い。これは再結合の標準的物理法則との不一致を示唆し、再結合における新物理の必要性を示唆する。

ABSTRACT

The value of the Hubble constant determined from CMB and BAO measurements is directly dependent on the sound horizon at the photon-baryon decoupling. There has been significant interest in the possibility of new physics at the epoch around recombination that could reduce the sound horizon and increase the inferred value of $H_0$, thus helping to relieve the Hubble tension. One way to determine if new physics is required would be to measure $H_0$ from BAO and CMB without assuming any model for computing the sound horizon. In this study, we use the recently released DESI Year 1 BAO data combined with the CMB acoustic scale and the Planck $Λ$CDM prior on $Ω_{ m m} h^2$ to determine $H_0$ while treating the sound horizon at baryon decoupling $r_{ m d}$ as a free parameter. We find $H_0=69.48 \pm 0.94$ km/s/Mpc, which is $\sim2σ$ larger than $H_0 = 67.44 \pm 0.47$ km/s/Mpc in the Planck-best-fit $Λ$CDM where $r_{ m d}$ is derived using the standard recombination model. For comparison, we perform the same analysis using the pre-DESI BAO data with the CMB acoustic scale and the same prior on $Ω_{ m m} h^2$, finding $H_0= 68.05 \pm 0.94$ km/s/Mpc. This difference derives from the notably larger value of the product $r_{ m d}h$ measured by DESI. We compare results obtained with and without including the Pantheon Plus sample of uncalibrated supernovae magnitudes in our analysis. Future BAO data from DESI will help determine if the cosmological model at the epoch of recombination model requires a modification.

研究の動機と目的

• 標準的再結合モデルがバリオン脱結合時の音響距離を正確に記述しているかどうかをテストすること。
• 理論的仮定によるバイアスを避けるために、再結合モデルを仮定せずに$H_0$と$r_{\rm d}$を決定すること。
• 自由パrameterとしての$r_{\rm d}$を用いた場合、DESI Year 1 BAOデータがCMB音響スケール$\theta_\star$と整合性を示すかどうかを評価すること。
• 再結合における新物理によって音響距離が小さくなることで、観測された$H_0$の不一致が解消される可能性があるかどうかを評価すること。
• DESI Y1 BAOの結果を、DESI以前のBAOデータとPlanck-$\Lambda$CDMと比較し、$r_{\rm d}h$と$H_0$における不一致を特定すること。

提案手法

• バリオン脱結合時の音響距離（$r_{\rm d}$）を標準的再結合モデルによる計算ではなく、自由パラメータとして扱う。
• DESI Year 1 BAO測定値を用いて、$r_{\rm d}H_0$と$\Omega_{\rm m}$を制約し、$\Omega_{\rm m}h^2$にガウス事前分布を適用する。
• CMB音響スケール$\theta_\star$を追加の制約として取り入れ、これを第二の「BAO測定」として扱う。
• これらの制約を、Planck-$\Lambda$CDMによる$\Omega_{\rm m}h^2$の事前分布と組み合わせ、$H_0$と$r_{\rm d}$の事後分布を導出する。
• 標準的再結合を仮定した場合のPlanck-$\Lambda$CDM最適適合値と照らし合わせ、推定された$H_0$と$r_{\rm d}$の整合性をテストする。
• GetDistを用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングにより、不確実性と事後制約を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DESI BAOデータから推定されたバリオン脱結合時の音響距離は、$\Lambda$CDMにおける標準的再結合モデルが予測する値と一致するか？
• RQ2 自由パラメータとしての$r_{\rm d}$を仮定した場合、DESI BAOとCMBデータから得られたHubble定数は、Planck-$\Lambda$CDMの最適適合値と整合性を示すか？
• RQ3 再結合モデルを仮定しないで導かれた$H_0$の値は、SH0ESなどの直接測定値や代替のSNキャリブレーションと比較してどうなるか？
• RQ4 再結合物理学によって$r_{\rm d}$が固定されない場合、DESI Y1 BAOとCMB音響スケール$\theta_\star$との間にどの程度の不一致が生じるか？
• RQ5 DESI Y1 BAOデータは、標準モデルよりも小さい音響距離を好むのか？これは再結合における新物理の兆候であるか？

主な発見

• 自由パラメータとしての$r_{\rm d}$を仮定した場合、DESI Year 1 BAO、$\theta_\star$、$\Omega_{\rm m}h^2$の事前分布を組み合わせた結果、$H_0 = 69.88 \pm 0.93$ km/s/Mpcが得られた。
• この値は、標準的再結合物理学を仮定したPlanck-$\Lambda$CDMの最適適合値$H_0 = 67.44 \pm 0.47$ km/s/Mpcよりも$\sim 2\sigma$高い。
• DESI Y1 BAOデータは、Planck-$\Lambda$CDMの最適適合値よりも大きな$r_{\rm d}h$の値を好むため、標準モデルの予測よりも小さい音響距離を示唆している。
• DESI Y1 BAOと$\theta_\star$を組み合わせることで、BAOと$\Omega_{\rm m}h^2$を単独で使用した場合と比較して$H_0$の不確実性が半分に減少したが、中央値はほぼ変化しなかった。
• 自由パラメータとしての$r_{\rm d}$を仮定した場合、DESI Y1 BAOデータはCMB音響スケール$\theta_\star$とより良好に整合しており、再結合物理学を仮定しない場合、CMBデータと整合的であることを示唆している。
• DESI以前のBAOデータを同じ手法で解析した結果、$H_0 = 67.37 \pm 0.96$ km/s/Mpcが得られ、DESI Y1よりも小さい$r_{\rm d}h$を示した。これは、BAO測定値に時間的変化または系外要因が存在する可能性を示唆している。