[論文レビュー] Finslerian Universe May Reconcile Tensions between High and Low Redshift Probes

Deng Wang, Xin-He Meng|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ベルワルド型のフィンスラー幾何学に基づくフィンスラー的宇宙論的モデルを提案し、高赤方偏移と低赤方偏移の観測におけるH₀およびσ₈の不一致を解消することを目的としている。修正されたフレリドマン方程式を通じて有効なダークマターおよびダークエネルギー成分を導入することで、H₀の不一致は3.4σから1.9σに軽減され、σ₈の不一致も緩和される。ステルイルニュートリノを含む拡張モデル（Fₛν）が最も優れた性能を示し、ベイズ的証拠はΛCDMモデルよりもフィンスラー的モデルを支持している。

ABSTRACT

To reconcile the current tensions between high and low redshift observations, we perform the first constraints on the Finslerian cosmological models including the effective dark matter and dark energy components. We find that all the four Finslerian models could alleviate effectively the Hubble constant ($H_0$) tension and the amplitude of the root-mean-square density fluctuations ($σ_8$) tension between the Planck measurements and the local Universe observations at the 68$\%$ confidence level. The addition of a massless sterile neutrino and a varying total mass of active neutrinos to the base Finslerian two-parameter model, respectively, reduces the $H_0$ tension from $3.4σ$ to $1.9σ$ and alleviates the $σ_8$ tension better than the other three Finslerian models. Computing the Bayesian evidence, with respect to $Λ$CDM model, our analysis shows a weak preference for the base Finslerian model and moderate preferences for its three one-parameter extensions. Based on the model-independent Gaussian Processes, we propose a new linear relation which can describe the current redshift space distortions data very well. Using the most stringent constraints we can provide, we have also obtained the limits of typical model parameters for three one-parameter extensional models.

研究の動機と目的

• プランクCMBデータとSNIaやRSDといった局所的な低赤方偏移プローブとの間の持続的なH₀およびσ₈の不一致を解消すること。
• フィンスラー幾何学、特にベルワルド型のフィンスラー時空が、これらの不一致を解消するためのΛCDMの有効な代替案であるかどうかを検証すること。
• 宇宙論的データを用いて、フィンスラー的FRWモデルにおける有効なダークエネルギーおよびダークマター成分を制約すること。
• ガウス過程に基づく新しいモデルに依存しない線形関係を、赤方偏移空間歪み（RSD）の観測に適用して導出すること。
• 現在のデータと整合性があるかどうかを評価し、フィンスラー的モデルとΛCDMモデルとの間でベイズ的証拠を評価すること。

提案手法

• 有効パラメータαおよびβを備えたフィンスラー＝ベルワルドFRW計量に基づく形式的枠組み。標準的なフレリドマン方程式を一般化する。
• ランダース＝フィンスラー幾何学における修正された分散関係から、方程式状態ωを有するダークエネルギーを組み込んだ有効なハッブルパラメータE²(z)を導出する。
• プランクCMB、リエスH₀、BAO、RSDデータ（PROデータセット）の組み合わせを用いて、宇宙論的制約を求める。
• RSDデータに対してガウス過程の再構築を適用し、fσ₈(z)の進化を記述する新しい体系的線形関係（LR）を導出する。
• ベイズ的証拠（ベイズ因子）を用いて、フィンスラー的モデルとΛCDMモデルおよびその拡張との間でモデル比較を実施する。
• ニュートリノ系を、質量ゼロのステルイルニュートリノ（Fₛν）を追加し、活性ニュートリノ質量を変動可能にした（Fν）ことで拡張し、H₀およびσ₈の不一致からの制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィンスラー的宇宙論的モデルは、プランクと局所測定との間のH₀の不一致を効果的に軽減できるか？
• RQ2 同じモデルは、高赤方偏移CMBと低赤方偏移の大規模構造調査との間で観測されるσ₈の不一致を軽減できるか？
• RQ3 フィンスラー的枠組みにステルイルニュートリノを含めるか、または変動する活性ニュートリノ質量を導入することで、ベースラインモデルと比較して不一致の軽減が向上するか？
• RQ4 ΛCDMモデルよりもフィンスラー的モデルがベイズ的証拠によって支持されるか？
• RQ5 ガウス過程による再構築から得られる、モデルに依存しないRSDデータの線形関係は、現在の観測を正確に記述できるか？

主な発見

• 質量ゼロのステルイルニュートリノを含むフィンスラー的モデル（Fₛν）は、68%信頼水準でH₀の不一致を3.4σから1.9σにまで軽減する。
• 変動する全活性ニュートリノ質量を許容するFνモデルは、テストされた4つのフィンスラー的モデルの中でσ₈の不一致を最も効果的に軽減する。
• ベイズ的証拠では、ベースラインのフィンスラー的モデル（FΛ）に対しては弱い支持が得られ、1パラメータ拡張（Fω、Fν、Fsν）に対しては中程度の支持が得られる。
• Fωモデルにおける有効なダークエネルギーの状態方程式はω = −1.00017⁺⁰.⁰⁰⁰⁹⁰₋₀.⁰⁰⁰⁶⁹に制約され、プランクのω = −1.006 ± 0.045よりもきめ細かく、w = −1と整合的である。
• Fνモデルでは、退化的ヒエラルキー下で全活性ニュートリノ質量の95%上限がΣmν < 0.186 eVに制約され、プランクの0.1 eVの上限を上回る。
• Fsνモデルでは、完全に熱平衡状態にあるニュートリノ（ΔNeff ≈ 1）が3σ以上で除外され、相対論的粒子種に対する強い制約が得られる。