[論文レビュー] Cosmic Microwave Background Observations: Implications for Hubble's Constant and the Spectral Parameters $ $ and $Q$ in Cold Dark Matter Critical Density Universes

Charles H. Lineweaver, Domingos Barbosa|ArXiv.org|Dec 15, 1996

Scientific Research and Discoveries参考文献 3被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、冷たい暗黒物質（CDM）臨界密度モデルにおける宇宙論的パラメータを制約するために、複数のスケールにおける宇宙背景放射（CMB）観測を用いる。得られた結果は、Hubble定数Ho = 30⁺¹⁸₋₇ km/s/Mpc、スペクトル指数n = 0.91⁺⁰.²⁰₋₀.¹²、四重極モーメント正規化Q = 18 ± 2.5 μKであり、ビッグバン核合成や球状星団の年齢と整合する低Hubble値を支持するが、直接測定されたHubble定数とは矛盾する。

ABSTRACT

Recent cosmic microwave background (CMB) measurements over a large range of angular scales have become sensitive enough to provide interesting constraints on cosmological parameters within a restricted class of models. We use the CMB measurements to study inflation-based, cold dark matter (CDM) critical density universes. We explore the 4-dimensional parameter space having as free parameters, Hubble's constant Ho, baryonic fraction Omega_b, the spectral slope of scalar perturbations n and the power spectrum quadrupole normalization Q. We calculate chi-squared minimization values and likelihood intervals for these parameters. Within the models considered, a low value for the Hubble constant is preferred: Ho= 30^{+18}_{-7} km/s/Mpc. The baryonic fraction is not as well-constrained by the CMB data: Omega_b = 0.07^{+ 0.24}_{-0.07}. The power spectrum slope is n=0.91^{+0.20}_{-0.12}. The power spectrum normalization is Q=18 +/- 2.5 uK. The error bars on each parameter are approximately 1 sigma and are for the case where the other 3 parameters have been marginalized. If we condition on n=1 we obtain the normalization Q = 17 +/- 1.0 uK. The permitted regions of the 4-D parameter space are presented in a series of 2-D projections. In the context of the CDM critical density universes considered here, current CMB data favor a low value for the Hubble constant. Such low-Ho models are consistent with Big Bang nucleosynthesis, cluster baryonic fractions, the large-scale distribution of galaxies and the ages of globular clusters; although in disagreement with direct determinations of the Hubble constant.

研究の動機と目的

• インフレーションに基づく冷たい暗黒物質（CDM）臨界密度モデル内での宇宙論的パラメータ—Hubble定数（Ho）、バリオン密度（Ωb）、スペクトル指数（n）、四重極モーメント正規化（Q）—を制約すること。
• CMBデータがビッグバン核合成、銀河団のバリオン密度、大規模構造、球状星団の年齢といった他の宇宙論的プローブと整合するかを評価すること。
• CMBに基づく間接的Hubble推定値と、直接的な局所的Hubble測定値との間に生じる矛盾を解消すること。
• 他の3つのパラメータの不確実性を考慮した上で、各パラメータのマージナル化1σ信頼区間を提供すること。

提案手法

• 著者らは、CMBデータが広範なスケールにわたり、Ho、Ωb、n、Qの4次元パラメータ空間を走査し、カイ二乗最小化を実行する。
• パラメータのデゲネラシーを考慮するために、他の3つのパラメータをマージナル化した上で、各パラメータの1σ信頼区間を尤度解析によって計算する。
• ベースラインとして、平坦で臨界密度の宇宙、冷たい暗黒物質、スケール不変初期摂動を仮定する。
• COBE、サスカチュワン、その他の実験によるCMB異方性測定値（l ≈ 10からl ≈ 1000の多極子）によってモデルが制約される。
• スペクトル傾きnは自由に変化可能であり、Qは四重極モーメントスケールにおける初期パワースペクトルの正規化である。
• n = 1（スケール不変スペクトル）を仮定した条件付き解析を実施し、不確実性が小さいQの推定値を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBデータで制約されたCDM臨界密度モデルにおけるHubble定数（Ho）の最適適合値と不確実性は何か？
• RQ2 CMBデータから導かれるバリオン密度（Ωb）は、独立した天体物理学的制約とどの程度一致するか？
• RQ3 初期パワースペクトルの正規化Qはどのように推定され、スペクトル指数nの仮定にどのように依存するか？
• RQ4 CMBデータは低Hubble定数を支持するのか？他の宇宙論的観測と整合的か？
• RQ5 4次元パラメータ空間におけるマージナル化1σ信頼区間は、Ho、Ωb、n、Q間のデゲネラシーをどのように反映しているか？

主な発見

• CMBデータは低Hubble定数を支持する：1σ信頼区間でHo = 30⁺¹⁸₋₇ km/s/Mpcである。
• バリオン密度は弱く制約される：Ωb = 0.07⁺⁰.²⁴₋₀.₀₇であり、大きな不確実性を示す。
• スカラー摂動のスペクトル指数はn = 0.91⁺⁰.²⁰₋₀.₁₂であり、スケール不変値1よりわずかに小さい。
• 四重極モーメント正規化はQ = 18 ± 2.5 μKであり、n = 1を仮定した条件付き推定ではQ = 17 ± 1.0 μKとなる。
• 4次元パラメータ空間の許容領域は2次元プロットで可視化され、特にHoとnの間で強いデゲネラシーが明らかになった。
• 低Hoモデルはビッグバン核合成、銀河団のバリオン密度、大規模構造、球状星団の年齢と整合的であるが、直接的な局所的Hubbleフロー測定とは矛盾する。