[論文レビュー] Cosmology with Lyman-alpha forest power spectrum

N. Palanque‐Delabrouille, Christophe Yèche+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2015

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、BOSSおよびPlanck 2015 CMBデータからのリプマンアルファフォレストパワー スペクトルを用いて、高度な流体力学的シミュレーションと洗練されたシステムティック要因モデル化を採用することで、宇宙論的パラメータの制約を改善した。ニュートリノ質量の和の上限は、95%信頼水準で ∑mν < 0.12 eV に tightened された一方で、スカラースペクトル指数 nₛ の緊張をランピングパラメータによって解消し、ΛCDMモデルの妥当性と精度を高めた。

ABSTRACT

We present constraints on neutrino masses, the primordial fluctuation spectrum from inflation, and other parameters of the $\Lambda$CDM model, using the one-dimensional Ly$\alpha$-forest power spectrum measured by Palanque-Delabrouille et al. (2013) from SDSS-III/BOSS, complemented by Planck 2015 cosmic microwave background (CMB) data and other cosmological probes. This paper improves on the previous analysis by Palanque-Delabrouille et al. (2015) by using a more powerful set of calibrating hydrodynamical simulations that reduces uncertainties associated with resolution and box size, by adopting a more flexible set of nuisance parameters for describing the evolution of the intergalactic medium, by including additional freedom to account for systematic uncertainties, and by using Planck 2015 constraints in place of Planck 2013. Fitting Ly$\alpha$ data alone leads to cosmological parameters in excellent agreement with the values derived independently from CMB data, except for a weak tension on the scalar index $n_s$. Combining BOSS Ly$\alpha$ with Planck CMB constrains the sum of neutrino masses to $\sum m_ u < 0.12$ eV (95\% C.L.) including all identified systematic uncertainties, tighter than our previous limit (0.15 eV) and more robust. Adding Ly$\alpha$ data to CMB data reduces the uncertainties on the optical depth to reionization $ au$, through the correlation of $ au$ with $\sigma_8$. Similarly, correlations between cosmological parameters help in constraining the tensor-to-scalar ratio of primordial fluctuations $r$. The tension on $n_s$ can be accommodated by allowing for a running ${\mathrm d}n_s/{\mathrm d}\ln k$. Allowing running as a free parameter in the fits does not change the limit on $\sum m_ u$. We discuss possible interpretations of these results in the context of slow-roll inflation.

研究の動機と目的

• リプマンアルファフォレストパワー スペクトルを用いて、ニュートリノ質量、初期フラクチュエーションスペクトル、およびΛCDMパラメータの制約を改善すること。
• より高解像度で大スケールの流体力学的シミュレーションを用いることで、リプマンアルファフォレスト解析におけるシステムティック不確実性を低減すること。
• リプマンアルファフォレストとCMBデータの間で観測されるスカラースペクトル指数 nₛ の弱い緊張を、ランピングパラメータを導入することで解消すること。
• Planck 2013年データの代わりにPlanck 2015年CMB制約を統合することで、ロバストネスと精度を向上させること。
• 再電離の光学的厚さ τ と σ₈ の相関関係を調査し、再電離および初期のテンソルフラクチュエーションに関する制約を強化すること。

提案手法

• SDSS-III/BOSSデータからPalanque-Delabrouilleら（2013年）が測定した一次元リプマンアルファフォレストパワー スペクトルを用いる。
• シミュレーション関連の不確実性を低減するために、解像度が向上し、ボックスサイズが大きな新しいセットのキャリブレーション用流体力学的シミュレーションを採用する。
• 時間的に変化する間銀河媒体の影響をより柔軟にモデル化するため、より洗練されたネイジュー・パラメータのセットを導入する。
• リプマンアルファデータ解析におけるシステムティック不確実性を補償するための追加の自由度を導入する。
• BOSSリプマンアルファフォレストデータとPlanck 2015 CMB制約を統合し、τ と σ₈ の相関を利用して宇宙論的パラメータを共同で制約する。
• スカラースペクトル指数のランピング、dnₛ/dlnk を自由パラメータとして許容し、スローロールインフレーションからの逸脱をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リプマンアルファフォレストパワー スペクトルとPlanck 2015 CMBデータを統合した場合、ニュートリノ質量の和に対する最もきつい制約は何か？
• RQ2 スカラースペクトル指数 nₛ におけるリプマンアルファフォレストとCMBデータの間の緊張を、スカラースペクトル指数のランピングパラメータがどのように解消するか？
• RQ3 再電離の光学的厚さ τ と σ₈ の相関関係が、宇宙論的パラメータの制約にどの程度向上をもたらすか？
• RQ4 改善された流体力学的シミュレーションは、リプマンアルファフォレストパワー スペクトル測定におけるシステムティック不確実性をどの程度低減するか？
• RQ5 スカラースペクトル指数のランピングを許容することは、ニュートリノ質量の和の上限に影響を及ぼすか？

主な発見

• すべての識別されたシステムティック不確実性を含めた95%信頼水準で、ニュートリノ質量の和は ∑mν < 0.12 eV に制限され、以前の0.15 eVよりもきびしい、よりロバストな制限となった。
• リプマンアルファフォレストデータのみをフィットさせた場合、nₛ を除き、CMBから得られる値と非常に良好に一致する宇宙論的パラメータが得られたが、スカラースペクトル指数 nₛ に弱い緊張が残っていた。
• ランピングパラメータ dnₛ/dlnk を導入することで、nₛ の緊張を効果的に緩和でき、同時に ∑mν の上限に変更を加えずに済んだ。
• BOSSリプマンアルファフォレストデータとPlanck CMBデータを統合することで、σ₈ との相関により、再電離への光学的厚さ τ の不確実性が低減された。
• 宇宙論的パラメータ間の相関関係が、初期フラクチュエーションのテンソル対スカラー比 r の制約を強化した。
• Planck 2015データと高度なシミュレーションを用いた改善された分析フレームワークにより、ΛCDMパラメータの制約のロバストネスと精度が向上した。