[論文レビュー] Cosmology Intertwined IV: The Age of the Universe and its Curvature

Eleonora Di Valentino, Luis A. Anchordoqui+89 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2020

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ひとこと要約

この論文は、初期宇宙と後期宇宙の測定値の間にある矛盾に注目し、宇宙の年齢と空間曲率を宇宙論的データを用いて調査している。プランク2018データからのわずかに閉じた宇宙（Ωₖ ≈ −0.01）は、宇宙の年齢を約15.3 Gyrにまで引き上げる。これはH₀の矛盾を緩和する可能性を示唆するが、星の年齢推定はモデル依存性のため一貫性がなく、宇宙論的矛盾を解消するためには星の物理学の改善が不可欠である。

ABSTRACT

A precise measurement of the curvature of the Universe is of primeval importance for cosmology since it could not only confirm the paradigm of primordial inflation but also help in discriminating between different early Universe scenarios. The recent observations, while broadly consistent with a spatially flat standard $Λ$ Cold Dark Matter ($Λ$CDM) model, are showing tensions that still allow (and, in some cases, even suggest) a few percent deviations from a flat universe. In particular, the Planck Cosmic Microwave Background power spectra, assuming the nominal likelihood, prefer a closed universe at more than 99\% confidence level. While new physics could be in action, this anomaly may be the result of an unresolved systematic error or just a statistical fluctuation. However, since a positive curvature allows a larger age of the Universe, an accurate determination of the age of the oldest objects provides a smoking gun in confirming or falsifying the current flat $Λ$CDM model.

研究の動機と目的

• 非ゼロの空間曲率（Ωₖ）が宇宙の年齢および宇宙論的矛盾に与える影響を評価すること。
• 曲率を考慮した場合に、初期宇宙のCMBデータ（プランク）と後期宇宙の距離測定（パンセオン、R19）の整合性を評価すること。
• 改善された星の年齢測定が、H₀およびΩₖの制約における不一致を解消できるかを調査すること。
• 将来の実験（ユリクス、SKA）が、曲率を95%信頼区間で約10⁻³のレベルに制約できるかを検討すること。
• ゼロでない曲率が、局所的な非一様性を示唆するのか、それともインフレーションモデルにおける真の超視界物理学の兆候なのかを検討すること。

提案手法

• ΩₖとH₀の制約に、ノーマル尤度を用いたプランク2018宇宙マイクロ波背景（CMB）パワースペクトルを用いる。
• ΩₖとAₗの68%/95%信頼区間の等高線図と1次元後確率分布を用いて、曲率およびダークエネルギーの整合性を評価する。
• CMBから導かれる年齢（tᵤ = 13.800 ± 0.024 Gyr）と、球状星団および金属量が低い星（例：HD 140283、2MASS J18082002–5104378 B）からの星の年齢推定を比較する。
• 星の年齢の不確実性をモデル依存性を含めて評価し、ガイアのパララックスと代替のフィッティング手法を用いてばらつきを分析する。
• 正の曲率がH₀およびtᵤに与える影響を評価し、Ωₖ > 0のときtᵤ ≈ 15.31 ± 0.47 Gyrとなることを示す。
• 将来のCMBスペクトル歪み（例：KSZ、コンプトン-y）および次世代のスケール（ユリクス、SKA）を用いた曲率の制約を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ゼロの空間曲率は、初期宇宙と後期宇宙の測定値の間にあるH₀の矛盾を解消できるか？
• RQ2 金属量が低い星からの星の年齢推定は、プランクから導かれる年齢とどの程度食い違うのか。また、モデル依存性はその食い違いにどのように影響するか？
• RQ3 閉じた宇宙（Ωₖ < 0）は、予測される宇宙の年齢にどのような影響を与え、古い星との整合性は保たれるか？
• RQ4 将来の実験（ユリクス、SKA）は、曲率とH₀の測定におけるデゲネラシーを解消し、宇宙論的制約を改善できるか？
• RQ5 非ゼロの曲率は、局所的な非一様性を示唆するのか、それともインフレーションモデルにおける平坦性からの根本的逸脱を示唆するのか？

主な発見

• ノーマル尤度を用いたプランク2018データは、Ωₖ ≈ −0.01の閉じた宇宙を好む傾向にあり、その結果、宇宙の年齢はtᵤ ≈ 15.31 ± 0.47 Gyrに上昇する。
• 星の年齢推定値は大きくばらつく：HSTパララックスを用いたHD 140283は14.46 ± 0.8 Gyrと測定されるが、ガイアパララックスを用いると13.5 ± 0.7 Gyrに低下する。
• 最も古い星2MASS J18082002–5104378 Bの年齢は13.535 ± 0.002 Gyrであるが、モデルのばらつきにより不確実性が拡大し、t* = 13.0 ± 0.6 Gyrと推定される。
• H₀とtᵤの負の相関関係により、曲率によってH₀を低下させると年齢が上昇し、H₀の矛盾の緩和が可能になる。
• 将来のスケール（ユリクス、SKA）は、95%信頼区間でΩₖを約10⁻³のレベルに制約できる可能性があり、これによりプランクデータの現在の異常を検証できる。
• CMBスペクトル歪み（例：KSZ、コンプトン-y）は、次世代実験で到達可能なレベルで曲率を検出する有効な手法である。