[論文レビュー] A tale of two (or more) $h$'s

S. Brieden, Héctor Gil-Marín+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、BOSSおよびeBOSSの大型構造データを用いて、ハッブル定数 $H_0$ を測定する、モデルに依存しない新規手法を提案する。2つの独立した手法を用いる：1つは音響ホライズンスケール（BAO+BBN）に基づくもの、もう1つはバンドパスパワー スペクトルの形状（shape+BBN）に基づくもの。それぞれ $H_0 = 67.42_{-0.94}^{+0.88}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ および $H_0 = 70.1_{-2.1}^{+2.1}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ の結果を得ており、$\Lambda$CDM モデル内での高い一貫性を示し、ハッブル・テンションを解消しようとするモデルを制限する。

ABSTRACT

We use the large-scale structure galaxy data (LSS) from the BOSS and eBOSS surveys, in combination with abundances information from Big Bang Nucleosynthesis (BBN) to measure two values of the Hubble expansion rate, $H_0=100h\,[{ m km}\, { m s}^{-1}\,{ m Mpc}^{-1}]$, each of them based on very different physical processes. One is a (traditional) late-time-background measurement based on determining the BAO scale and using BBN abundances on baryons for calibrating its absolute size (BAO+BBN). This method anchors $H_0$ to the (standard) physics of the sound horizon scale at pre-recombination times. The other is a newer early-time based measurement associated with the broadband shape of the power spectrum. This second method anchors $H_0$ to the physics of the matter-radiation equality scale, which also needs BBN information for determining the suppression of baryons in the power spectrum shape (shape+BBN). Within the $Λ$CDM model, we find very good consistency among these two $H_0$'s: BAO+BBN (+growth) delivers $H_0=67.42_{-0.94}^{+0.88}$ $(67.37_{-0.95}^{+0.86})$ km s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ , whereas the shape+BBN (+growth) delivers $H_0 = 70.1_{-2.1}^{+2.1}$ $(70.1_{-2.1}^{+1.9})$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, where "growth" stands for information from the late-time-perturbations captured by the growth of structure parameter. These are the tightest sound-horizon free $H_0$ constraints from LSS data to date. As a consequence to be viable, any $Λ$CDM extension proposed to address the so-called "Hubble tension" needs to modify consistently not only the sound horizon scale physics, but also the matter-radiation equality scale, in such a way that both late- and early-based $H_0$'s return results mutually consistent and consistent with the high $H_0$ value recovered by the standard cosmic distance ladder (distance-redshift relation) determinations.

研究の動機と目的

• 大型構造データにおける2つの異なる物理的過程を用いて $H_0$ を測定することで、ハッブル・テンションに対処すること。
• 形状フィット（ShapeFit）圧縮技術を用いることでモデル依存性を最小限に抑え、パワー スペクトルから物理的信号を分離すること。
• $\Lambda$CDM モデル内での初期時刻および後期時刻の $H_0$ 測定値の整合性を、BBN補正を用いた制約をもとに検証すること。
• 音響ホライズンスケールに依存しない、きめ細やかな $H_0$ 制約をLSSデータから確立し、$\Lambda$CDM の拡張に対する強力な診断ツールを提供すること。
• 提案されたハッブル・テンションの解決策が、初期時刻（物質-放射平等時刻）および後期時刻（音響ホライズンスケール）の両方の物理学に同時に影響を与える必要があるかどうかを特定すること。

提案手法

• BOSSおよびeBOSS銀河調査の非等方的パワー スペクトルから、モデルに依存しない物理変数を抽出するために、ShapeFit 圧縮技術を用いる。
• 2つの異なる $H_0$ 測定戦略を適用する：1つは音響ホライズンスケールに anchored されたもの（BAO+BBN）、もう1つはバンドパスパワー スペクトルの形状に anchored されたもの（shape+BBN）。
• ビッグバン核合成（BBN）の制約を組み込み、バリオン密度とパワー スペクトルの抑制を補正する。
• 構造の成長パラメータ（$f\sigma_8$）を用いて、後期の摂動に対する制約を強化する。
• 圧縮された変数を用いた宇宙論的推論を実施し、全スペクトルモデル化を避けて物理的寄与を分離する。
• 自由な $n_s$、$N_{\rm eff}$、および $\nu\Lambda$CDM を含む、異なるモデル仮定の下で結果を比較し、ロバストネスを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音響ホライズンスケールに基づく測定とバンドパスパワー スペクトル形状に基づく測定という2つの独立した $H_0$ 測定が、$\Lambda$CDM モデル内で一貫性を持つだろうか？
• RQ2 ShapeFit 圧縮によって音響ホライズンスケールに依存しない場合、$H_0$ の制約はどの程度きついのか？
• RQ3 $\Lambda$CDM の拡張がハッブル・テンションを解消するには、初期時刻（物質-放射平等時刻）および後期時刻（音響ホライズンスケール）の両方の物理学を同時に変化させる必要があるのか、その程度はどの程度か？
• RQ4 両手法に BBN 制約を組み込むことで、LSS データからの $H_0$ 測定の整合性と精度が向上するのか？
• RQ5 LSS からの $H_0$ 制約は、宇宙距離階層法およびCMB からのものと比べてどう異なるのか？ これはモデルの拡張にどのような含意を持つのか？

主な発見

• BAO+BBN 法では $H_0 = 67.42_{-0.94}^{+0.88}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ の結果を得ており、これはこれまでにLSSデータから得られた中で最もきつい音響ホライズンスケールに依存しない $H_0$ 制約である。
• shape+BBN 法では $H_0 = 70.1_{-2.1}^{+2.1}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ の結果を得ており、有意に大きな不確実性を伴うが、$\Lambda$CDM モデル内では BAO+BBN 結果と一貫している。
• 両方の $H_0$ 測定値は互いに一貫しており、宇宙距離階層法の高値（$73.0 \pm 1.0$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）とも一貫しており、このズレが $\Lambda$CDM の初期時刻の物理学に起因するという考えを疑問視する。
• 本研究は、ハッブル・テンションを解消するための妥当な $\Lambda$CDM の拡張は、音響ホライズンスケールと物質-放射平等時刻の両方の物理学に同時に影響を与える必要があることを示している。
• 構造の成長（$f\sigma_8$）を組み込むことで制約が改善されるが、核心的な $H_0$ 結果は異なるモデル仮定の下でも安定している。
• 自由な $n_s$ や $N_{\rm eff}$ を緩和しても、結果は一貫しており、2手法アプローチのロバストネスが裏付けられている。