[論文レビュー] Canonical Hubble-Tension-Resolving Early Dark Energy Cosmologies are Inconsistent with the Lyman-$α$ Forest

Samuel Goldstein, J. Colin Hill+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ハッブル定数の矛盾を解消するために提案された標準的な初期ダークエネルギー（EDE）モデルが、ライマン-αフォレストデータと整合しないことを示している。SDSS eBOSSおよびX-Shooter/MIKEからのライマン-αフォレスト透過率パワー スペクトル測定を用いて、EDEモデルはライマン-αデータが好むよりも高いスケーリングスペクトル指数 $n_s$ を必要とし、その結果 $H_0 = 67.9^{+0.4}_{-0.4}$ km/s/Mpc（68%信頼区間）が得られ、これはSH0ES測定値と4σ以上も食い違う。

ABSTRACT

Current cosmological data exhibit discordance between indirect and some direct inferences of the present-day expansion rate, $H_0$. Early dark energy (EDE), which briefly increases the cosmic expansion rate prior to recombination, is a leading scenario for resolving this "Hubble tension" while preserving a good fit to cosmic microwave background (CMB) data. However, this comes at the cost of changes in parameters that affect structure formation in the late-time universe, including the spectral index of scalar perturbations, $n_s$. Here, we present the first constraints on axion-like EDE using data from the Lyman-$α$ forest, i.e., absorption lines imprinted in background quasar spectra by neutral hydrogen gas along the line of sight. We consider two independent measurements of the one-dimensional Ly$α$ forest flux power spectrum, from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS eBOSS) and from the MIKE/HIRES and X-Shooter spectrographs. We combine these with a baseline dataset comprised of Planck CMB data and baryon acoustic oscillation (BAO) measurements. Combining the eBOSS Ly$α$ data with the CMB and BAO dataset reduces the 95% confidence level (CL) upper bound on the maximum fractional contribution of EDE to the cosmic energy budget, $f_{ m EDE}$, from 0.07 to 0.03 and constrains $H_0=67.9_{-0.4}^{+0.4}$ km/s/Mpc (68% CL), with maximum a posteriori value $H_0=67.9$ km/s/Mpc. Similar results are obtained for the MIKE/HIRES and X-Shooter Ly$α$ data. Our Ly$α$-based EDE constraints yield $H_0$ values that are in $>4σ$ tension with the SH0ES distance-ladder measurement and are driven by the preference of the Ly$α$ forest data for $n_s$ values lower than those required by EDE cosmologies that fit Planck CMB data. Taken at face value, the Ly$α$ forest severely constrains canonical EDE models that could resolve the Hubble tension.

研究の動機と目的

• 再結合の前において膨張率を高めることでハッブル定数の矛盾を解消する標準的な初期ダークエネルギー（EDE）モデルが、ライマン-αフォレストデータと整合するかどうかを検証すること。
• 高精度なライマン-αフォレスト透過率パワー スペクトル測定を用いて、EDEの最大エネルギー寄与率 $f_{\text{EDE}}$ を制約すること。
• ライマン-αデータが低い $n_s$ 値を好む傾向があるのに対し、Planck CMBデータに適合させるためにEDEモデルが要求する高い $n_s$ 値とその矛盾が生じるかどうかを評価すること。
• ライマン-αデータを考慮した場合に、EDEが好む $H_0$ 値とSH0ESによる直接測定値との間の食い違いがどのように変化するかを評価すること。

提案手法

• CLASS_EDEコードを用いて、$n=3$ のアキソン様ポテンシャルで記述され、$f_{\text{EDE}}$、$z_c$、$\theta_i$ でパrameter化されたEDEモデルを用い、背景および線形摂動の進化を計算する。
• ピボット波数 $k_p = 0.009$ s/km および redshift $z_p = 3$ における線形パワー スペクトルの振幅 $\Delta_L^2$ と勾配 $n_L$ を用いた圧縮尤度を用い、天体物理学的不確実性を平均化する。
• eBOSSおよびX-Shooter/MIKEのライマン-αデータを、Planck 2018 CMBデータ（TTTEEE、lowl+lowE、レンズ効果）およびBOSS、SDSS MGS、6dFGSのBAO測定と組み合わせる。
• マークフォン・チェイン・モンテカルロ法を用いてベイズ的パラメータ推論を実施し、$f_{\text{EDE}}$、$H_0$、$n_s$ およびその他の宇宙論的パラメータの事後分布制約を導出する。
• 特に $n_s$ および $H_0$ の乖離に注目し、事後分布の比較と統計的指標を用いてデータセット間の食い違いを定量化する。

Figure 1: Comparison of the best-fit linear matter power spectrum at $z_{p}=3$ from the EDE (grey) and $\Lambda$ CDM (orange) fits to the baseline CMB + BAO dataset with the best-fit $\Lambda$ CDM cosmologies for the eBOSS (blue) [ 30 ] and XQ-100 (red) Ly $\alpha$ forest datasets. Shaded bands indi

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブル定数の矛盾を解消する標準的なEDEモデルは、ライマン-αフォレストデータと整合可能か？
• RQ2 ライマン-αフォレストデータを宇宙論的解析に組み込むと、$f_{\text{EDE}}$ の上限はどの程度になるか？
• RQ3 ライマン-αフォレストデータは、CMBデータに適合させるためにEDEモデルが要求する高い $n_s$ 値と矛盾する低 $n_s$ 値を好むか？
• RQ4 ライマン-αデータを組み込むと、$H_0$ の推定値はどのように変化し、SH0ES測定値との食い違いはどのように変化するか？

主な発見

• eBOSSのライマン-αフォレストデータを組み込むことで、$f_{\text{EDE}}$ の95%信頼区間上限は0.07から0.03に低下する。
• 事後分布を平均化した $H_0$ 制約は $67.9^{+0.4}_{-0.4}$ km/s/Mpc（68%信頼区間）であり、最大事後確率推定値は67.9 km/s/Mpcである。
• MIKE/HIRESおよびX-Shooterのライマン-αデータを用いても同様の制約が得られ、独立したデータセット間で一貫性が確認された。
• ライマン-αデータは、EDEモデルがCMBデータに適合させるために必要とする高い $n_s$ 値よりも低い $n_s$ 値を好むため、根本的な食い違いが生じる。
• 得られた $H_0$ 値は、$73.04 \pm 1.04$ km/s/Mpc のSH0ES直接測定値と4σ以上も食い違う。
• eBOSS解析における $\log_{10}(z_c)$ の二峰性事後分布は、$n_s$ と $f_{\text{EDE}}$ 間のトレードオフに起因し、低 $z_c$ 値が低 $n_s$ をよりよく適合させる。

Figure 2: Marginalized posteriors for a subset of EDE and $\Lambda$ CDM parameters with and without Ly $\alpha$ data. The baseline dataset (grey) consists of Planck 2018 high- $\ell$ (TT+TE+EE) and low- $\ell$ (TT+EE) measurements, as well as BOSS DR12, SDSS MGS, and 6dFGS BAO data. Including eBOSS