[論文レビュー] Extended reionization in models beyond $Λ$CDM with Planck 2018 data

D. Paoletti, Dhiraj Kumar Hazra+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Planck 2018 CMB非均一性データを用いて、拡張された再電離歴の制約を更新し、区分的立方ホルマイト補間を用いた柔軟なPoly-reionモデルを採用して電離度の時間的変化をモデル化する。再電離期間は短縮され（Δz^Reion = 4.59_{-2.45}^{+1.67}）、初期の再電離開始は強く否定され（z_xe=0 = 18.18_{-10.89}^{+1.61}）、さらにΛCDMを超えるパラメータとのデゲネラシーが顕著に低減された。これは、低多重度Eモード偏光測定の精度向上に起因する。

ABSTRACT

We provide an update on the constraints on extended reionization histories with the Planck 2018 cosmic microwave background anisotropy data. The Planck 2018 data on large angular scales improve the measurement of the $E$-mode polarization reionization bump at low multipoles providing the possibility to improve our previous results. Using a minor modification to the original Poly-reion model for the reionization history, we find that the Planck 2018 data significantly improve all our previous results: we find as optical depth of $τ=0.0572_{-0.0075}^{+0.0064}$ at 68% CL, that early onsets of reionization are strongly disfavoured, i.e. redshift when the reionization begins, $z_{xe=0}=18.18_{-10.89}^{+1.61}$ at 68% CL,and that reionization duration (defined between 10% and 99% reionization) is significantly reduced, i.e. $Δ_z^{Reion}=4.59_{-2.45}^{+1.67}$ at 68% CL. We explore possible correlations between reionization histories and cosmological parameters, including important extensions beyond $Λ$CDM. We find that the degeneracy between reionization and scalar spectral index,neutrino mass sum, spatial curvature, dark matter annihilation and other non-standard models are significantly reduced.The reduction of the error bars and the degeneracies, together with the shift towards lower values of the optical depth that we observe in the Poly-reion model are mainly driven by the new low-$\ell$ polarization likelihood of Planck 2018 baseline based on the HFI data. This is confirmed also by the results derived without this likelihood and the ones with different alternatives to the baseline that are presented for a subset of models.

研究の動機と目的

• 更新されたPlanck 2018 CMBデータを用いて、標準的ΛCDMモデルを超える再電離歴の制約を改善すること。
• 新しい低多重度Eモード偏光尤度が再電離パラメータの不確実性とデゲネラシー構造に与える影響を評価すること。
• 再電離モデルの柔軟性が、ニュートリノ質量、空間曲率、ダークマター消失、初期宇宙テンソルモードなど、ΛCDM拡張パラメータとのデゲネラシーに与える影響を調査すること。
• HFIおよびLFIの代替偏光データを含む、複数の尤度組み合わせを用いて結果の妥当性を検証すること。

提案手法

• Poly-reionモデルは、4つの赤方偏移ノード（z=0およびz=5.5を固定、z_intおよびz_xe=0を自由に変化）を用い、区分的立方ホルマイト補間多項式（PCHIP）により電離度x_e(z)をモデル化する。
• 中間ノードにおける電離度の振幅と赤方偏移を自由に変化させることで、標準的な双曲正 tangent モデルよりも柔軟な再電離歴の再構築が可能となる。
• 制約は、HFIデータからの新しい低-ℓ偏光尤度を含むPlanck 2018ベースライン尤度を用いて導出され、LFIの(T,Q,U)尤度など代替尤度と比較される。
• 再電離パラメータとΛCDM拡張（ニュートリノ質量和、空間曲率、ダークマター消失、レンズイング振幅A_L、初期宇宙テンソル寄与）とのデゲネラシー解析が実施される。
• 結果の妥当性を検証するため、SROLL2マップメイキングアルゴリズムを用いて再処理されたHFIデータも含める。
• 統計的推論にはマルコフ連鎖モンテカルロ法を用い、68%信頼水準における後確率分布と信用区間を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Planck 2018データとPoly-reionモデルを用いることで、光学的厚さτと再電離期間Δz^Reionの更新された制約は何か？
• RQ2 HFIデータからの新しい低-ℓ Eモード偏光尤度を組み込むことで、再電離パラメータの精度とデゲネラシー構造はどのように変化するか？
• RQ3 ニュートリノ質量の変動、空間曲率、ダークマター消失などの拡張宇宙論モデルが、推定される再電離歴とその不確実性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 標準的な双曲正 tangent モデルと比較して、Poly-reionモデルは光学的厚さと再電離タイミングにどのような違いをもたらすか？
• RQ5 LFIや再処理済みHFIなどの代替尤度が、再電離制約の妥当性に与える影響は何か？

主な発見

• 68%信頼水準において、光学的厚さはτ = 0.0572_{-0.0075}^{+0.0064}に制約され、標準的双曲正 tangent モデルと整合的だが、精度が向上した。
• 10%から99%の電離度の間で定義される再電離期間は、顕著に短縮され、Δz^Reion = 4.59_{-2.45}^{+1.67}に制約された。
• 再電離の初期開始は強く否定され、再電離が開始される赤方偏移はz_xe=0 = 18.18_{-10.89}^{+1.61}に制約された。
• 特にニュートリノ質量和、空間曲率、初期宇宙テンソルモードとの間で、再電離パラメータとΛCDMを超えるパラメータとのデゲネラシーが、低-ℓ偏光データの改善により顕著に低減された。
• Planck 2018 HFIデータからの新しい低-ℓ Eモード偏光尤度が、制約の向上と誤差の縮小を主因としている。
• Poly-reionモデルは、拡張モデルにおける光学的厚さの低値への引き寄せを軽減し、レンズイング振幅と空間曲率の推定値をΛCDMの値に近づけるが、A_Lおよび空間曲率との間には残存デゲネラシーが見られる。