[論文レビュー] BAO+BBN revisited -- Growing the Hubble tension with a 0.7km/s/Mpc constraint

Nils Schöneberg, L. Verde+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、CMBに基づくH₀推定とは異なった高精度な代替手段として、BAO+BBNプローブを再評価している。SDSS DR16からのバリオン音響振動（BAO）データと、更新されたLUNAによる重水素燃焼率測定値を組み合わせ、ビッグバン核合成（BBN）制約を強化した。ShapeFitとBAO+BBNを用いた分析により、H₀ = 68.3 ± 0.7 km/s/Mpcが得られ、SH0ESとの間に3.8σの不一致を示した。CMBまたは超新星データと組み合わせると、最大4.2σまで上昇し、Hubble不一致の検証に強力なツールであることが示された。

ABSTRACT

The combination of Baryonic Acoustic Oscillation (BAO) data together with light element abundance measurements from Big Bang Nucleosynthesis (BBN) has been shown to constrain the cosmological expansion history to an unprecedented degree. Using the newest LUNA data and DR16 data from SDSS, the BAO+BBN probe puts tight constraints on the Hubble parameter ($H_0 = 67.6 \pm 1.0 \mathrm{km/s/Mpc}$), resulting in a $3.7σ$ tension with the local distance ladder determination from SH0ES in a $Λ$CDM model. In the updated BAO data the high- and low-redshift subsets are mutually in excellent agreement, and there is no longer a mild internal tension to artificially enhance the constraints. Adding the recently-developed ShapeFit analysis yields $H_0 = 68.3 \pm 0.7 \mathrm{km/s/Mpc}$ ($3.8 σ$ tension). For combinations with additional data sets, there is a strong synergy with the sound horizon information of the cosmic microwave background, which leads to one of the tightest constraints to date, $H_0 = 68.30\pm 0.45\mathrm{km/s/Mpc}$, in $4.2σ$ tension with SH0ES. The region preferred by this combination is perfectly in agreement with that preferred by ShapeFit. The addition of supernova data also yields a $4.2σ$ tension with SH0ES for Pantheon, and a $3.5σ$ tension for PantheonPLUS. Finally, we show that there is a degree of model-dependence of the BAO+BBN constraints with respect to early-time solutions of the Hubble tension, and the loss of constraining power in extended models depends on whether the model can be additionally constrained from BBN observations.

研究の動機と目的

• CMBや局所的距離レーンドデータに依存しない形で、H₀の推定に向けたBAO+BBNの組み合わせを、信頼性が高く独立したプローブとして再評価すること。
• Hubble不一致を解消できる可能性がある初期宇宙モデル（BBNや初期膨張に影響を与えるもの）に対して、BAO+BBNの制約力の評価を行うこと。
• CMB、超新星（Pantheon/PantheonPLUS）、および宇宙時計（Cosmic Chronometers）といった他の幾何的プローブとの整合性と相乗効果を検証すること。
• 特に初期時空の解消に寄与する要因（例：ダーク放射能や電子質量の変化）に関連する、BAO+BBNの制約のモデル依存性を調査すること。
• ShapeFit法が、BBNに縛られないモデルに対して独立した制約を提供できるかどうかを評価し、H₀推定の精度を向上させるかを検証すること。

提案手法

• SDSS DR16およびeBOSSからのBAO測定値（高赤方偏移および低赤方偏移のトレーサー：LRGs, ELGs, QSOs, Lyα）と、重水素燃焼率に関する更新されたLUNAデータを組み合わせ、BBN制約を強化した。
• Pisantiら、Consiglioら、Pitrouらの複数のBBNコードと、Cookeら、Averらの観測データを用いて、詳細なBBN処理を行い、バリオン密度と音響ホライゾンを制約した。
• ShapeFit法を用いて、BAOデータから再結合時の音響ホライゾンを抽出し、CMBの非等方性に依存しない直接的なH₀推定を可能にした。
• 外部プローブ（CMB: Planck、超新星: Pantheon, PantheonPLUS、宇宙時計）とBAO+BBNの制約を組み合わせ、整合性と精度の向上を検証した。
• 初期時空の物理（有効な相対論的粒子数N_eff、変化する電子質量m_e）がBAO+BBNの制約に与える影響を評価するモデル依存性分析を実施し、BBNを制約として用いた。
• ベイズ的フレームワークを用いて、H₀および宇宙論的パラメータの事後分布を計算し、SH0ESとの不一致の程度と、プローブ間の内部整合性を定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BAO+BBNの組み合わせは、CMBモデル依存性に左右されず、局所的距離レーンドと整合的かつ高精度にH₀を決定できるか？
• RQ2 ShapeFit法の導入により、BAO+BBNからのH₀推定精度が向上し、他の幾何的プローブと整合的なH₀値をもたらすか？
• RQ3 BAO+BBNの制約は、ダーク放射能（N_eff）や電子質量（m_e）の変化といった初期宇宙モデルをどの程度制限できるか？また、これによりHubble不一致にどのような影響を与えるか？
• RQ4 高赤方偏移と低赤方偏移のBAO測定値の間には内部整合性があるか？これにより、相互不一致の懸念が解消されるか？
• RQ5 将来的な形状測定が得られた場合、BBNに影響を与えないが音響ホライゾンをずらすモデルに対して、BAO+BBNプローブが独立した制約を提供できるか？

主な発見

• ShapeFit分析を組み合わせたBAO+BBNプローブにより、H₀ = 68.3 ± 0.7 km/s/Mpcが得られ、SH0ESの局所的距離レーンド測定と3.8σの不一致を示した。
• CMBデータと組み合わせた場合、BAO+BBN+ShapeFitの組み合わせにより、H₀ = 68.30 ± 0.45 km/s/Mpcが得られ、SH0ESとの不一致は4.2σにまで上昇した。これは、強い相乗効果と整合性の高さを示している。
• BAO+BBNの組み合わせは、CMB非等方性の推定と整合的であり、超新星や宇宙時計といった他の幾何的プローブから得られるH₀推定とも一致している。
• 初期時空の物理を含むモデルでは、BBN制約が許容パラメータ空間を著しく制限する。N_effモデルでは不一致が2.8σに、m_eモデルでは3.5σにまで上昇し、BBNの強い制約力が明確に示された。
• BBNに影響を与えるモデル（例：N_eff, m_e）に対してはBAO+BBNプローブが感受性を示すが、BBNに影響を与えないが音響ホライゾンをずらすモデルには感受性がないため、モデル依存の制約であることが明確になった。
• 超新星データ（PantheonまたはPantheonPLUS）を追加すると、不一致は4.2σまたは3.5σにまで上昇した。PantheonPLUSの結果ではΩ_mにわずかなシフトが見られ、データセットの違いに敏感であることが確認された。