[論文レビュー] Constraints on dark energy and modified gravity from the BOSS Full-Shape and DESI BAO data

Petter Taule, Marco Marinucci+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、EFTofDEフレームワーク内において、BOSSのフルシェイプ銀河パワー スペクトル、DESIのBAO測定、Planck CMBデータを用いて、ダークエネルギーおよび修正重力の制約を実施した。CMBデータは主にブレーディングパラメータαBを制約するが、大規模構造データは、H₀とのデゲネラシーを解消するBAOの背景情報のおかげで、走るプランク質量αMおよびダークエネルギー状態方程式wの制約を2倍に厳しくする。

ABSTRACT

We constrain dark energy and modified gravity within the effective field theory of dark energy framework using the full-shape BOSS galaxy power spectrum, combined with Planck cosmic microwave background (CMB) data and recent baryon acoustic oscillations (BAO) measurements from DESI. Specifically, we focus on a varying braiding parameter $α_{ m B}$, a running of the ``effective'' Planck mass $α_{ m M}$, and a constant dark energy equation of state $w$. The analysis is performed with two of these parameters at a time, including all the other standard cosmological parameters and marginalizing over bias and nuisance parameters. The full-shape galaxy power spectrum is modeled using the effective field theory of large-scale structure up to 1-loop order in perturbation theory. We find that the CMB data is most sensitive to $α_{ m B}$, and that adding large-scale structure information only slightly changes the parameter constraints. However, the large-scale structure data significantly improve the bounds on $α_{ m M}$ and $w$ by a factor of two. This improvement is driven by background information contained in the BAO, which breaks the degeneracy with $H_0$ in the CMB. We confirm this by comparing the BOSS full-shape information with BOSS BAO, finding no significant differences. This is likely to change with future high-precision full-shape data from Euclid and DESI however, to which the pipeline developed here is immediately applicable.

研究の動機と目的

• 最新の宇宙論的データセットを用いて、ΛCDMモデルを超えたダークエネルギーおよび修正重力の性質をテストすること。
• モデルに依存しない有効場理論のダークエネルギー（EFTofDE）フレームワークを採用することで理論的バイアスを低減すること。
• フルシェイプ銀河パワー スペクトル、BAO、CMBデータを統合することで、EFTofDEの主要パラメータ（ブレーディングαB、走るプランク質量αM、ダークエネルギー状態方程式w）の制約を向上させること。
• 異なるデータセット（CMB、BAO、フルシェイプ）が個別にどのEFTofDEパラメータにどれほど敏感であるかを評価し、非線形構造形成の影響を定量化すること。
• 将来の高精度調査（EuclidやDESI）に適用可能な堅牢で拡張可能な解析パイプラインの開発

提案手法

• 1-loop銀河パワー スペクトルを、Mildly 非線形スケールまでモデル化するため、大規模構造の有効場理論（EFTofLSS）を用いる。
• EFTofDEのパrameter化に適合した、フルシェイプパワー スペクトルを計算するためのPyBirdコードの改変版を採用し、クラスタリングダイナミクスの変更を含む。
• 線形および1-loopレベルでEFTofDEの摂動とバイアスを一貫して扱うように改変したhi classコードを用いて、Planck CMB非均一性を統合する。
• EFTofDE係数αB、αM、wに時間依存パラメータ化を導入し、特にαMが背景進化に明示的に影響することを考慮する。
• GetDistパッケージを用いてベイズ的推論を実施し、雑音パラメータおよび銀河バイアスを周辺化する。データセットにはP18 CMB、BOSSフルシェイプ、DESI BAOが含まれる。
• 大規模構造観測量に与える影響が無視できるため、テンソル速度超過パラメータαTをゼロに設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BOSSのフルシェイプ銀河パワー スペクトルデータは、CMBデータのみと比較して、EFTofDEパラメータの制約をどの程度改善するか？
• RQ2 CMB、BAO、フルシェイプデータのそれぞれが、ブレーディングパラメータαB、走るプランク質量αM、ダークエネルギー状態方程式wにどの程度感度を示すか？
• RQ3 銀河パワー スペクトルにおける非線形効果がパラメータ制約に与える影響はどの程度で、BAOのみの制約と比較してどう異なるか？
• RQ4 大規模構造データの組み込みによって、CMBのみの解析で見られるH₀とαMのデゲネラシーを解消できるか？
• RQ5 将来のEuclidおよびDESIの高精度フルシェイプデータは、αMおよびwの制約にどのように影響するか？現在のパイプラインはこのようなデータに対応可能か？

主な発見

• CMBデータのみではブレーディングパラメータαBに最も感度が高く、PlanckはγB ≡ αB(a₀)を68%信頼区間で±0.083の範囲に制約する。LSSデータを追加しても事後分布はわずかにシフトするにとどまる。
• BOSSのフルシェイプパワー スペクトルを追加することで、今日の走るプランク質量の値γM ≡ αM(a₀)の制約が、CMBのみのときのγM < 1.83から、γM < 0.964に厳しくなる。
• αMおよびwの制約が2倍に改善される主な要因は、CMBのみの解析で存在するH₀とαMのデゲネラシーを解消するBAO測定の背景情報である。
• BOSSのフルシェイプとBAOのみの制約を比較した結果、差は顕著ではなく、現在の精度ではパワー スペクトルの非線形性がパラメータ境界にほとんど影響しないことが示された。
• テンソル速度超過パラメータαTは大規模構造観測量にほとんど影響を与えず、分析においてゼロに設定されている。
• 開発された解析パイプラインは、非線形効果が制約力の向上に顕著に寄与すると予想される将来のEuclidおよびDESIの高精度フルシェイプデータに対応可能である。