[論文レビュー] Assessing the robustness of sound horizon-free determinations of the Hubble constant

Tristan L. Smith, Vivian Poulin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、$\Lambda$CDMおよび$\Lambda$CDMを超えるモデルにおけるBOSS銀河パワースペクトルを用いた音響距離自由なハッブル定数$H_0$の決定を評価している。$H_0$の制約はモデルの仮定と事前分布に強く依存しており、$r_s$-フリーの解析が新しい物理を独立に検証できるという主張を揺るがす。EDEおよび$\Delta N_{\rm eff}$モデルでは$H_0$の値が高くなるが、$\Delta m_e$は$\Lambda$CDMと整合的であり、現在のデータではSH0ESやPlanckとの著しい不一致は示唆されていない。

ABSTRACT

The Hubble tension can be addressed by modifying the sound horizon ($r_s$) before recombination, triggering interest in $r_s$-free early-universe estimates of the Hubble constant, $H_0$. Constraints on $H_0$ from an $r_s$-free analysis of the full shape BOSS galaxy power spectra within LCDM were recently reported and used to comment on the viability of physics beyond LCDM. Here we demonstrate that $r_s$-free analyses with current data depend on the model and the priors placed on the cosmological parameters, such that LCDM analyses cannot be used as evidence for or against new physics. We find that beyond-LCDM models which introduce additional energy density with significant pressure support, such as early dark energy (EDE) or additional neutrino energy density ($ΔN_{ m eff}$), lead to larger values of $H_0$. On the other hand, models which only affect the time of recombination, such as a varying electron mass ($Δm_e$), produce $H_0$ constraints similar to LCDM. Using BOSS data, constraints from light element abundances, cosmic microwave background (CMB) lensing, a CMB-based prior on the scalar amplitude ($A_s$), spectral index ($n_s$), and $Ω_m$ from the Pantheon+ supernovae data set, we find that in LCDM, $H_0=64.9\pm 2.2$ km/s/Mpc; EDE, $H_0=68.7^{+3}_{-3.9}$; $ΔN_{ m eff}$, $H_0=68.1^{+2.7}_{-3.8}$; $Δm_e$, $H_0=64.7^{+1.9}_{-2.3}$. Using a prior on $Ω_m$ from uncalibrated BAO and CMB measurements of the projected sound horizon, these values become in LCDM, $H_0=68.8^{+1.8}_{-2.1}$; EDE, $H_0=73.7^{+3.2}_{-3.9}$; $ΔN_{ m eff}$, $H_0=72.6^{+2.8}_{-3.7}$; $Δm_e$, $H_0=68.8\pm 1.9$. With current data, none of the models are in significant tension with SH0ES, and consistency tests based on comparing $H_0$ posteriors with and without $r_s$ marginalization are inconclusive with respect to the viability of beyond LCDM models.

研究の動機と目的

• BOSS銀河パワースペクトルの$r_s$-フリー解析が、$H_0$に対して堅牢でモデルに依存しない制約を提供できるかどうかを評価すること。
• このような$H_0$の制約が、$\Lambda$CDMを超える物理の証拠となるか、反証されるかを評価すること。
• $r_s$を統合した場合に、特に初期のダークエネルギー（EDE）、追加のニュートリノエネルギー密度（$\Delta N_{\rm eff}$）、および変化する電子質量（$\Delta m_e$）といった$\Lambda$CDMを超えるモデルが$H_0$推定値にどのように影響を与えるかを調査すること。
• $\Omega_m$の事前分布を変化させた場合の$H_0$制約のロバストネスを、Pantheon+ SNe IaおよびキャリブレーションされていないBAO/CMB測定からのものと比較してテストすること。

提案手法

• $\Lambda$CDMおよび$\Lambda$CDMを超えるモデル内でのBOSS DR12銀河パワースペクトルの$r_s$-マージナル化されたフルシェイプ解析を実施。
• ビッグバン核合成（BBN）からのバリオン密度、PlanckからのCMBレンズ効果、およびスカラー振幅（$A_s$）とスペクトル指数（$n_s$）に事前分布を適用。
• $\Omega_m$に二種類の異なる事前分布を用いる：一つはPantheon+ SNe Iaデータセットからのもの、もう一つはキャリブレーションされていないBAOおよびCMB測定による投影された音響距離（$\theta_{s,d}^{\rm BAO/CMB}$）からのもの。
• 全モデルおよび全事前分布に対して、$H_0$の事後分布を計算するためにマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いる。
• 最小波数（$k_{\rm min}$）を変化させることでパワースペクトル解析からピーク情報を取り除き、$H_0$制約のロバストネスをテスト。また、BAOスムージングアルゴリズムを変更して、$r_{s,d}$の値にかかわらず正確なバンプ除去が可能であるかを確認。
• 事前分布として$\Omega_m$を用いる正当性を検証するため、全Pantheon+尤度と簡略化された事前分布を比較し、全モデルで一貫性があることを確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BOSS銀河パワースペクトルの$r_s$-フリー解析が、$H_0$に対してモデルに依存しない制約を提供できるか？
• RQ2 異なる宇宙論的モデルと事前分布を用いた場合、$r_s$-フリー解析による$H_0$制約はロバストであるか？
• RQ3 初期のダークエネルギー（EDE）、$\Delta N_{\rm eff}$、$\Delta m_e$といった$\Lambda$CDMを超えるモデルが、$r_s$を統合した場合に$H_0$推定値にどのように影響を与えるか？
• RQ4 異なる$\Omega_m$の事前分布は、$r_s$-フリー解析における$H_0$制約をどの程度変化させるか？
• RQ5 $r_s$の統合の有無にかかわらず$H_0$事後分布を用いた一貫性テストは、$\Lambda$CDMと新しい物理を区別する上で結論的であるか？

主な発見

• $\Lambda$CDMでPantheon+ $\Omega_m$事前分布を用いた場合、BOSSパワースペクトルの$r_s$-フリー解析から$H_0 = 64.9 \pm 2.2$ km/s/Mpcが得られた。
• キャリブレーションされていない$\Omega_m$事前分布（BAOおよびCMBからのもの）を用いた場合、$\Lambda$CDMでは$H_0$は$68.8^{+1.8}_{-2.1}$ km/s/Mpcに上昇し、SH0ESの値に近づいた。
• 初期のダークエネルギー（EDE）モデルでは、同じ事前分布を用いた場合$H_0 = 73.7^{+3.2}_{-3.9}$ km/s/Mpcとなり、Planckと顕著な不一致を示したが、SH0ESとは一致した。
• $\Delta N_{\rm eff}$モデルでも、同じ事前分布を用いた場合$H_0 = 72.6^{+2.8}_{-3.7}$ km/s/Mpcとなり、SH0ESと整合的であった。
• $\Delta m_e$モデルでは、同じ事前分布を用いた場合$H_0 = 68.8 \pm 1.9$ km/s/Mpcとなり、$\Lambda$CDMとほぼ同一であった。これは$H_0$に変化がないことを示唆している。
• 銀河パワースペクトルのピーク位置が$H_0$制約に顕著な影響を与えないことが、$k_{\rm min}$を引き上げてピーク情報を除去した場合でも事後分布が同一であったことから示された。