[論文レビュー] Inferences of $H_0$ in presence of a non-standard recombination

Chi-Ting Chiang, Anže Slosar|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、局所的距離ラダー測定値とPlanck CMBに基づく制約との間の$H_0$緊張を緩和するために、初期宇宙の再結合歴史に現象論的修正を提案する。再結合のタイミングをずらし、幅を広げることで、音響視界と最後散乱面までの角直径距離を変化させ、PlanckとBAOデータを用いることで緊張を約3.5σから約2σに低減する。しかし、レンズ効果と高ℓ偏光を含む完全なPlanckデータを用いるとも 再び約2.7σの緊張が顕在化する。

ABSTRACT

Measurements of the Hubble parameter from the distance ladder are in tension with indirect measurements based on the cosmic microwave background (CMB) data and the inverse distance ladder measurements at 3-4 $σ$ level. We consider phenomenological modification to the timing and width of the recombination process and show that they can significantly affect this tension. This possibility is appealing, because such modification affects both the distance to the last scattering surface and the calibration of the baryon acoustic oscillations (BAO) ruler. Moreover, because only a very small fraction of the most energetic photons keep the early universe in the plasma state, it is possible that such modification could occur without affecting the energy density budget of the universe or being incompatible with the very tight limits on the departure from the black-body spectrum of CMB. In particular, we find that under this simplified model, with a conservative subset of Planck data alone, $H_0=73.44_{-6.77}^{+5.50}~{ m km\ s}^{-1}\ { m Mpc}^{-1}$ and in combination with BAO data $H_0=68.86_{-1.35}^{+1.31}~{ m km\ s}^{-1}\ { m Mpc}^{-1}$, decreasing the tension to $\sim 2σ$ level. However, when combined with Planck lensing reconstruction and high-$\ell$ polarization data, the tension climbs back to $\sim 2.7σ$, despite the uncertainty on non-ladder $H_0$ measurement more than doubling.

研究の動機と目的

• 局所的距離ラダー測定値と初期宇宙のCMB制約との間の$H_0$緊張を解消できる非標準的再結合歴史が存在するかを調査すること。
• 再結合のタイミングと幅を変更することで、BAOルーラーの校正と最後散乱面までの角直径距離に同時に影響を与えるかを評価すること。
• このような修正が、黒体スペクトル制約とエネルギー密度予算を含む既存のCMBデータと整合的であるかを検証すること。
• Planckのレンズ効果や高ℓ偏光といった追加データが、緊張低減に与える影響を評価すること。

提案手法

• 自由電子分率が0.5に達する赤方偏移$z_{0.5}^\text{rec}$のずれと、赤方偏移変換関数を用いた再結合幅の変更を伴う現象論的モデルを導入する。
• CLASSコードに、変換された赤方偏移$\tilde{z}$を用いた自由電子分率$\tilde{\chi}_e(z)$の補間により、修正された再結合歴史を実装する。パラメータは$\delta z_{0.5}^\text{rec}$（タイミングのずれ）と$\Delta z^\text{rec}$（幅の変化）である。
• Planck 2018データ、BAOデータ、およびそれらの組み合わせを用いて、マルコフ連鎖モンテカルロ法による宇宙論的制約を導出する。
• モデルが$H_0$、$r_{\text{drag}}$、$S_8$、その他のパラメータに与える影響を評価し、データの組み合わせに伴う不確実性と緊張レベルの変化に注目する。
• Riess距離ラダー測定からの$H_0$事前分布に基づき、再結合パラメータの事後制約を重要度サンプリングを用いて導出する。
• モデルの物理的妥当性について議論し、高エネルギー光子のわずかな割合しか変更されないため、エネルギー密度やCMB黒体スペクトルに与える影響は最小限に抑えられることを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再結合歴史を修正することで、CMBスペクトルまたはエネルギー密度制約に違反することなく$H_0$緊張を低減できるか？
• RQ2 再結合のタイミングと幅の変更が、共動音響視界と最後散乱面までの角直径距離にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Planckのレンズ効果と高ℓ偏光データを組み込むことで、再結合の修正にもかかわらず$H_0$緊張がどの程度回復するか？
• RQ4 Riess $H_0$事前分布と組み合わせた際の再結合修正パラメータ$\delta z_{0.5}^\text{rec}$と$\Delta z^\text{rec}$の事後制約は何か？
• RQ5 高エネルギー光子のわずかな変更で再結合を修正することは、標準的放射エネルギー密度予算を破壊したり、CMBスペクトル歪みに対するFIRAS制約に違反したりしない物理的妥当性を持つだろうか？

主な発見

• Planckデータのみを用いると、修正された再結合モデルは$H_0 = 73.44_{-6.77}^{+5.50}~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$をもたらし、緊張は約2σに低減する。
• BAOデータを組み合わせると、モデルは$H_0 = 68.86_{-1.35}^{+1.31}~\text{km~s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$をもたらし、さらに緊張が約2σに緩和される。
• Planckのレンズ効果と高ℓ偏光データを含めると、不確実性が増し、$H_0$は標準的再結合値に引き戻され、緊張は約2.7σに回復する。
• Riess $H_0$事前分布に基づく再結合パラメータのマージナル化事後分布は、$\delta z_{0.5}^\text{rec} = -17.07_{-9.91}^{+8.97}$および$\Delta z^\text{rec} = -0.0183_{-0.0111}^{+0.0100}$を示し、早期かつ広い再結合が好まれることを示唆する。
• CMB黒体スペクトル制約と整合的であるのは、高エネルギー光子の影響を受ける割合が極めてわずかであるためであり、放射エネルギー密度が保たれている。
• 本研究では、$S_8$ や物質密度に顕著なシフトは見られず、主に距離とルーラー校正の変更による$H_0$への影響が主な効果であると判明した。