[論文レビュー] EMPRESS. VIII. A New Determination of Primordial He Abundance with Extremely Metal-Poor Galaxies: A Suggestion of the Lepton Asymmetry and Implications for the Hubble Tension

Akinori Matsumoto, Masami Ouchi+43 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、59個の極めて金属貧乏銀河（EMPG）を用いて、原始ヘリウム含有量の新しい決定値（$Y_{\mathrm{P}} = 0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$）を提示する。そのうち8個の銀河は、太陽値の$12\text{C}/\text{16O} < 0.1$を満たす。$Y_{\mathrm{P}}$を重水素測定値と組み合わせ、電子ニュートリノの非摂動性（$\xi_e$）を許容することで、非ゼロの$\xi_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$および$N_{\mathrm{eff}} \approx 3.11$が示唆され、余剰放射とレプトン非対称性によってハッブル定数の矛盾を解消する可能性を示す。

ABSTRACT

The primordial He abundance $Y_\mathrm{P}$ is a powerful probe of cosmology. Currently, $Y_\mathrm{P}$ is best determined by observations of metal-poor galaxies, while there are only a few known local extremely metal-poor ($&lt;0.1 Z_\odot$) galaxies (EMPGs) having reliable He/H measurements with HeI$λ$10830 near-infrared (NIR) emission. Here we present deep Subaru NIR spectroscopy for 10 EMPGs. Combining the existing optical data, He/H values of 5 out of the 10 EMPGs are reliably derived by the Markov chain Monte Carlo algorithm. Adding the existing 3 EMPGs and 51 moderately metal-poor ($0.1-0.4 Z_\odot$) galaxies with reliable He/H estimates, we obtain $Y_\mathrm{P}=0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$ by linear regression in the $\mathrm{(He/H)}-\mathrm{(O/H)}$ plane, where we increase the number of EMPGs from 3 to 8 anchoring He/H of the most metal-poor gas in galaxies. Although our $Y_\mathrm{P}$ measurement and previous measurements are consistent, our result is slightly ($\sim 1σ$) smaller due to our EMPGs. With our $Y_\mathrm{P}$ and the existing primordial deuterium $D_\mathrm{P}$ measurement, we constrain the effective number of neutrino species $N_\mathrm{eff}$ and the baryon-to-photon ratio $η$ showing $\gtrsim 1-2σ$ tensions with the Standard Model and Planck Collaboration et al. (2020). Motivated by the tensions, we allow the degeneracy parameter of electron-neutrino $ξ_e$ to vary as well as $N_\mathrm{eff}$ and $η$. We obtain $ξ_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$, $N_\mathrm{eff}=3.11^{+0.34}_{-0.31}$, and $η imes10^{10}=6.08^{+0.06}_{-0.06}$ from the $Y_\mathrm{P}$ and $D_\mathrm{P}$ measurements with a prior of $η$ taken from Planck Collaboration et al. (2020). Our constraints suggest a lepton asymmetry and allow for a high value of $N_\mathrm{eff}$ within the $1σ$ level, which could mitigate the Hubble tension.

研究の動機と目的

• より大きな極めて金属貧乏銀河（EMPG）のサンプルを用いて、原始ヘリウム含有量（$Y_{\mathrm{P}}$）の精度を向上させること。
• $Y_{\mathrm{P}}$が宇宙マイクロ波背景（CMB）およびビッグバン核合成（BBN）の予測と整合するかを検証すること。
• 非ゼロの電子ニュートリノ非摂動性パラメータ（$\xi_e$）の可能性と、$N_{\mathrm{eff}}$ に与える影響を調査すること。
• 非ゼロの$\xi_e$および上昇した$N_{\mathrm{eff}}$が、BBN制約を破ることなくハッブル定数の矛盾を緩和できるかを検討すること。

提案手法

• Subaru/MOIRCS、IRCS、SWIMSを用いた近赤外（NIR）スペクトロスコピーを実施し、金属量が太陽値の$12\text{C}/\text{16O} < 0.1$未満の11個のEMPGでHe i $\lambda$ 10830線を観測した。
• 信頼できるネーブル物理的状態を保つために、強い流れを示す銀河1個を除外した。
• 観測された線幅から最良適合物理パラメータを導出するために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）手法を用いた。
• 新しい$Y_{\mathrm{P}}$を、Cookeら（2018）による重水素対水素比（$D_{\mathrm{P}}$）と組み合わせ、連成制約を実施した。
• $N_{\mathrm{eff}}$および$\eta$の制約において、非ゼロの電子ニュートリノ非摂動性パラメータ（$\xi_e$）を許容し、レプトン非対称性を検討した。
• さまざまな仮定のもとで$N_{\mathrm{eff}}$、$\eta$、$\xi_e$の最良適合値を求めるために、$\chi^2$最小化法を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 59個の極めて金属貧乏銀河のサンプルを用いた場合、原始ヘリウム含有量（$Y_{\mathrm{P}}$）の最も精密な決定値は何か？
• RQ2 Cookeら（2018）の$D_{\mathrm{P}}$と組み合わせた場合、測定された$Y_{\mathrm{P}}$値は、$N_{\mathrm{eff}} = 3.046$の標準モデル予測と矛盾を示すか？
• RQ3 非ゼロの電子ニュートリノ非摂動性パラメータ（$\xi_e$）が、予想より高い$N_{\mathrm{eff}}$値を説明できるか？
• RQ4 観測された$N_{\mathrm{eff}}$値は、プランクCMBによるバリオン対光子比（$\eta$）の測定と整合するか？
• RQ5 レプトン非対称性と余剰放射の組み合わせが、BBN制約を破ることなくハッブル定数の矛盾を解消できるか？

主な発見

• 酸素含有量に対する$Y_{\mathrm{P}}$の線形回帰から、$Y_{\mathrm{P}} = 0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$が得られ、CMBから推定された値と整合的である。
• Cookeら（2018）の$D_{\mathrm{P}}$を用いた連成制約では、$N_{\mathrm{eff}} = 2.37^{+0.19}_{-0.24}$が得られ、標準モデルの3.046とは$\gtrsim 2\sigma$の矛盾を示している。
• 非ゼロの$\xi_e$を許容した場合、最良適合パラメータは$\xi_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$、$N_{\mathrm{eff}} = 3.11^{+0.34}_{-0.31}$、$\eta \times 10^{10} = 6.08^{+0.06}_{-0.06}$となり、プランク測定値と整合的である。
• $N_{\mathrm{eff}}$の95%信頼区間上限は3.45に達し、余剰放射によるハッブル定数の矛盾の解消への可能性を示唆している。
• 結果から、$\xi_e \sim 0.05$の電子ニュートリノ非対称性が存在する可能性が示唆され、BBN制約を破ることなく$N_{\mathrm{eff}}$を増加させる要因となり得る。
• 本研究により、$Y_{\mathrm{P}}$決定に用いられる信頼性のあるEMPGの数は3から8に増加し、統計的妥当性が向上した。