[論文レビュー] Exploring $Λ$CDM extensions with SPT-3G and Planck data: 4$σ$ evidence for neutrino masses and implications of extended dark energy models for cosmological tensions

Anton Chudaykin, Dmitry Gorbunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この研究では、SPT-3G、SPTpol、Planck CMB、BOSS、BAO、弱引力レンズ、赤方偏光クラスタリング、およびPantheon超新星データを組み合わせて、ΛCDMモデルの拡張を検証する。非零のニュートリノ質量（∑mν = 0.22 ± 0.06 eV）に対する4σの証拠が得られ、動的ダークエネルギーモデルは、Ia型超新星がセフェイドを用いて校正される場合にのみH₀の不一致を緩和することが示され、校正がHubble不一致を解消する鍵となる不確実性であることが強調された。

ABSTRACT

We present new cosmological constraints in a set of motivated extensions of the $Λ$CDM model using the polarization and gravitational lensing measurements from the South Pole Telescope and the Planck CMB temperature observations at large angular scales. In all cosmological scenarios, this CMB data brings the clustering measurements into agreement with the low-redshift probes of large-scale structure. Combining the SPT-3G, SPTpol and Planck large-scale temperature data with the latest full-shape BOSS and BAO measurements, information from the weak lensing and photometric galaxy clustering, and Pantheon supernova set we find a $4σ$ evidence for nonzero neutrino mass, $\sum m_ν=0.22\pm0.06\,{ m eV}$.Breaking the CMB degeneracies between $\sum m_ν$ and the cosmological parameters by the BOSS data is a major contribution to our neutrino mass measurement. The future CMB data would allow for investigating this measurement. Then we explore the possibility of dynamical dark energy with two model-independent approaches: one introduces a phantom crossing in dark energy equation of state, another provides with a sharp transition in the dark energy evolution. For the combination of all data considered, the both models predict $H_0\simeq68\,{ m km\,s^{-1}Mpc^{-1}}$ being in a $\sim3σ$ tension with the SH0ES constraint. However, when the local Type Ia supernovae are calibrated by Cepheids, the late Universe scenarios suggest significantly higher values of $H_0$ consistent with SH0ES. Our work draws attention to the supernova absolute magnitude calibration as one of the issues on the way to reconcile the $H_0$ tension.

研究の動機と目的

• 高精度のCMBおよび大規模構造データを用いて、ΛCDMモデルの拡張を検証すること。
• SPT-3G、Planck、およびLSSデータを統合して、非零のニュートリノ質量の有意性を評価すること。
• 動的ダークエネルギーモデルがH₀およびS₈の不一致を解消できるかどうかを調査すること。
• 超新星の絶対等級校正がHubble不一致に与える影響を評価すること。
• 遷移的ダークエネルギー（TDE）モデルにおける事前分布の感受性を検討すること。

提案手法

• SPT-3GおよびSPTpolの偏光および重力レンズ測定値を、Planckの広域CMB温度データと統合する。
• BOSS銀河パワースペクトルおよびバイスペクトルのフルシェイプ、BAO、弱レンズ、赤方偏光クラスタリング、およびPantheon超新星データを統合する。
• MCMCサンプリングを用いて、質量ニュートリノおよび動的ダークエネルギーモデルを含むΛCDM拡張モデルの宇宙論的パラメータを制約する。
• ダークエネルギーに対して2つのモデルに依存しないアプローチを適用：1つはファントム遷移を許容し、もう1つは状態方程式における急激な遷移を含む。
• SH0ESからのH₀にガウス事前分布を課し、TDEモデルパラメータにおける事前分布依存性を、代替の対数事前分布を用いてテストする。
• ベースラインΛCDMモデルにLSS、S₈、およびH₀制約を追加してパラメータ推論を実施し、一貫性および不一致を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPT-3G、Planck、およびLSSデータを統合した場合、非零のニュートリノ質量の有意性はいかほどか？
• RQ2 セフェイドで校正された超新星に依存しないで、動的ダークエネルギーモデルがH₀不一致を解消できるか？
• RQ3 ダークエネルギーの遷移赤方偏移および振幅に関する事前分布の選択が、パラメータ推論に与える影響はいかほどか？
• RQ4 超新星の絶対等級校正の選択が、晩期宇宙論におけるH₀不一致にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 大規模構造データが、ニュートリノ質量と他の宇宙論的パラメータとのCMBデゲネラシーをどの程度解消できるか？

主な発見

• CMBとBOSSデータの組み合わせによって、非零のニュートリノ質量に対する4σの証拠が得られ、∑mν = 0.22 ± 0.06 eVである。
• BOSSのフルシェイプ銀河クラスタリングデータの導入が、∑mνと他の宇宙論的パラメータのデゲネラシーを解消する上で不可欠である。
• 動的ダークエネルギーモデルはH₀ ≈ 68 km s⁻¹ Mpc⁻¹を予測するが、これはSH0ESによる73.04 ± 1.04 km s⁻¹ Mpc⁻¹の測定値と約3σの不一致を示す。
• 局所的Ia型超新星がセフェイドで校正される場合、晩期モデルはSH0ESと整合するH₀値を示し、校正が不一致の鍵要因であることを示唆する。
• TDEモデルのパラメータ制約は事前分布の選択に対して強く依存せず、ベースラインと対数事前分布の間で∆χ²_min = -0.5にとどまるため、感受性は最小限である。
• S₈不一致（S₈ ≈ 0.775 ± 0.010）はモデルにかかわらず持続しており、DESおよびKiDSのデータはPlanckのΛCDMベースラインと3.3σの不一致を示している。