[論文レビュー] Challenges for $\Lambda$CDM: An update

Leandros Perivolaropoulos, Foteini Skara|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

2022年のレビューは、標準的ΛCDMモデルと観測データの間の増大する矛盾を統合的に検討し、ハッブル定数の不一致（H₀の不一致）、成長不一致、CMBの異常、宇宙の双極子、小スケール問題（コア・カスプ問題や未発見の衛星問題など）に焦点を当てる。宇宙論的・天体物理学的データセットにおいて2σ以上に達する不一致を包括的に評価し、ΛCDMを超える新しい物理の可能性を強調するとともに、これらの不一致を解消できる理論的モデルを参照する。

ABSTRACT

A number of challenges to the standard $\Lambda$CDM model have been emerging during the past few years as the accuracy of cosmological observations improves. In this review we discuss in a unified manner many existing signals in cosmological and astrophysical data that appear to be in some tension ($2\sigma$ or larger) with the standard $\Lambda$CDM model as specified by the Cosmological Principle, General Relativity and the Planck18 parameter values. In addition to the well-studied $5\sigma$ challenge of $\Lambda$CDM (the Hubble $H_0$ tension) and other well known tensions (the growth tension, and the lensing amplitude $A_L$ anomaly), we discuss a wide range of other less discussed less-standard signals which appear at a lower statistical significance level than the $H_0$ tension some of them known as 'curiosities' in the data) which may also constitute hints towards new physics. For example such signals include cosmic dipoles (the fine structure constant $\alpha$, velocity and quasar dipoles), CMB asymmetries, BAO Ly$\alpha$ tension, age of the Universe issues, the Lithium problem, small scale curiosities like the core-cusp and missing satellite problems, quasars Hubble diagram, oscillating short range gravity signals etc. The goal of this pedagogical review is to collectively present the current status (2022 update) of these signals and their level of significance, with emphasis on the Hubble tension and refer to recent resources where more details can be found for each signal. We also briefly discuss theoretical approaches that can potentially explain some of these signals.

研究の動機と目的

• 標準的ΛCDMモデル（宇宙論的原理、一般相対性理論、Planck 2018パラメータを含む）が定義するものと照らし合わせ、現在の宇宙論的不一致（2σ以上）の状況を体系的にレビューし統合すること。
• ハッブル定数やレンズ効果の増幅率の異常といったよく知られた不一致に加え、宇宙の双極子、CMBの非対称性、振動する重力信号といった、あまり知られていない「奇妙な現象」の統計的有意性と一貫性を評価すること。
• これらの不一致を解消できる理論的モデルの批判的概要を提供すること。具体的には、後期のH(z)の修正、初期期の音響スケールの変形、非一様／非等方的拡張が含まれる。
• 各不一致信号に関する最近の詳細なリソースを研究者に案内し、ΛCDMを超える新しい物理のさらなる調査を促進すること。

提案手法

• 標準的キャンドル（例：Ia型超新星、Tully-Fisher関係）、標準定規（例：BAO、音響スケール）、時間遅れレンズ、重力波（標準サイン）、メーザー、宇宙計時計、γ線の減衰といった、複数のプローブからの観測データの体系的収集と分析。
• Planck 2018のパラメータ値をΛCDMの基準として用い、H₀、成長率、レンズ増幅率（Aₗ）などのパラメータにおける乖離を定量化すること。
• 有意水準（例：2σ、5σ）を用いた統計的評価を実施。初期期と後期の測定値の比較、および複数のデータセット間の一貫性の確認を含む。
• 不一致の解消に向けた理論的モデリングの導入：後期のH(z)の修正（例：初期の暗黒エネルギー、相互作用型暗黒エネルギー）、非一様宇宙論、修正重力のシナリオ。
• 理論的基盤としてFriedmann-Lemaître-Robertson-Walker（FLRW）計量とアインシュタインの場の方程式を用い、摂動および非等方的構造は一般相対性理論の枠組み内で分析。
• 異常を広い分類に分類：ハッブル不一致、成長不一致、CMBの異常（例：半球非対称性、冷たいスポット）、宇宙の双極子（速度、クェーサー、α）、小スケールの問題（コア・カスプ問題、未発見の衛星問題）、その他の問題（リチウム問題、クェーサーのハッブル図）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の宇宙論的観測（例：局所的距離ラダーによるH₀測定とCMBからの外挿）は、ΛCDMと5σの不一致を示しているとどの程度まで言えるか？
• RQ2 細かい構造定数の双極子、クェーサー、速度の双極子といったあまり知られていない異常は、宇宙論的原理における等方性と一様性の仮定をどの程度脅かしているか？
• RQ3 CMBの異常（例：四重極子と八重極子の一致、大スケール相関の欠如）は、複数のデータセットおよび分析手法を通じて、統計的有意性と一貫性を示しているか？
• RQ4 小スケールの天体物理学的観測（例：回転曲線、矮星銀河の数）は、ΛCDMの予測とどの程度食い違い、それが「奇妙な現象」や「問題」として定量的に評価できるか？
• RQ5 初期の暗黒エネルギー、相互作用型の暗黒セクター、非一様モデルといった理論的モデルのうち、複数の観測不一致を同時に説明できるものはどれか？

主な発見

• ハッブル不一致は依然として最大の挑戦であり、局所的H₀測定（例：SH0ES共同研究）は約73 km s⁻¹ Mpc⁻¹を示す一方、Planck 2018からの外挿は約67 km s⁻¹ Mpc⁻¹であり、5σの不一致が生じている。
• 成長不一致は、弱いレンズ効果や赤方偏移空間歪みからの大規模構造の成長観測と、Planckパラメータを用いたΛCDMの予測との間に顕著に現れ、2–3σ程度の有意水準である。
• CMBの異常には、CMBデータとBAO測定の比較で閉じた宇宙の可能性に2.5σの傾向が見られ、統計的等方性の逸脱を示唆する統合サックス＝ホルツ効果の3σの異常も含まれる。
• 宇宙の双極子（速度双極子、クェーサー双極子、細かい構造定数αの双極子）は、それぞれ2–3σの非等方性の証拠を示しており、宇宙論的原理の等方性を挑戦している。
• コア・カスプ問題（シミュレーションで予測される暗黒物質コアが観測より大きすぎる）や未発見の衛星問題（予測される矮星銀河の数が少ない）といった小スケールの奇妙な現象は未解決のままであり、「失敗するほどに大きく」（Too Big To Fail）の問題は、準銀河質量関数において3σの不一致を示している。
• リチウム問題は依然として継続しており、金属貧乏星における原始リチウム-7の観測濃度は、ビッグバン核合成によるΛCDMの予測よりも約2–3σ低い。これは、初期宇宙の過程に新しい物理が関与している可能性を示唆している。