[論文レビュー] $Λ_{ m s}$CDM model: A promising scenario for alleviation of cosmological tensions

Özgür Akarsu, Eleonora Di Valentino+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z_† ≈ 1.7–2 で符号を切替える宇宙定数を導入する Λ_{s}CDM モデルを分析し、それが H0、MB、S8 の揺らぎを緩和しつつ Planck、BAOtr、PantheonPlus、SH0ES、KiDS-1000 データに適合できることを示す。多くのデータ組み合わせで ΛCDM に対する強いベイズ的証拠をこのモデルが示す。

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of the $Λ_{ m s}$CDM model, which explores the recent conjecture suggesting a rapid transition of the Universe from anti-de Sitter vacua to de Sitter vacua (viz., the cosmological constant switches sign from negative to positive) at redshift ${z_\dagger\sim 2}$, inspired by the graduated dark energy (gDE) model. Our analysis shows that, predicting $z_\dagger\approx1.7$, $Λ_{ m s}$CDM simultaneously addresses the major cosmological tensions of the standard $Λ$CDM model, viz., the Hubble constant $H_0$, the Type Ia Supernovae absolute magnitude $M_{ m B}$, and the growth parameter $S_8$ tensions, along with other less significant tensions such as the BAO Lyman-$α$ discrepancy.

研究の動機と目的

• ΛCDM に対する解決の必要性が高まる宇宙論的揺らぎ（H0、MB、S8 など）に対する代替案の必要性を動機づける。
• 後期宇宙の転移を z† ~ 2 付近に持つ符号切替型宇宙定数モデル（ΛsCDM）を導入・検証する。
• 複数のデータセット（Planck CMB、二次元 BAO、PantheonPlus SNe、SH0ES、KiDS-1000）に対してモデルを評価し、ΛCDM と比較する。
• ΛsCDM を ΛCDM に対して統計的にどれだけ支持するかをベイズモデル比較で定量化する。

提案手法

• Λ を符号切替 Λs に置換し Λs ≡ Λs0 sgn[z†−z] と定義する現象論的置換。
• パラメータ空間: 基線 {ωb, ωc, θs, As, ns, τreio, z†} を CLASS+MontePython で分析。
• データ組み合わせ: Planck、Planck+BAOtr、Planck+BAOtr+PP、Planck+BAOtr+PP&SH0ES、Planck+BAOtr+PP&SH0ES+KiDS-1000。
• 非線形物質構造力学を遅い時間の H(z) の変更とともに HMcode で用いる。
• ΛsCDM 対 ΛCDM を比較するために MCEvidence によりベイズ証拠を算出（Trotta の Jeffreys スケール）。

Figure 1: 2D contours at 68% and 95% CLs in the $H_{0}$ - $\Omega_{\rm m}$ plane for the $\Lambda_{\rm s}$ CDM and $\Lambda$ CDM models from the Planck and/or BAOtr data. It deserves mention that, in case of $\Lambda_{\rm s}$ CDM, the Planck and BAOtr contours intersect right on the vertical band of

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅い時刻での符号切替宇宙定数は H0、MB、S8 の揺らぎを同時に緩和できるか。
• RQ2 2D BAO データを用いた場合、Planck CMB の制約と低赤方偏移の測定を最もよく調和させる z† はどれか。
• RQ3 PantheonPlus および SH0ES のprior は ΛsCDM において z† および H0 をどのように変化させ、Ly-α や他の BAO データと整合性を保つか。
• RQ4 ΛsCDM は複数のデータ組み合わせで ΛCDM より統計的に好まれるか。
• RQ5 ΛsCDM は再結合前の物理（拖動赤方偏移、音響半径、Yp、ωb）を維持し、ビッグバン元素合成、Ly-α、年齢制約と整合するか。

主な発見

• Planck+BAOtr では z† = 1.70^{+0.09}_{−0.19}, H0 = 73.3^{+1.2}_{−1.0} km/s/Mpc、SH0ES 測定と整合。
• PantheonPlus データ（SH0ES priors の有無を問わず）は z† ≈ 1.87^{+0.13}_{−0.21}, H0 ≈ 71.7 km/s/Mpc、MB は SH0ES と整合し MB の揺らぎを解決。
• ΛsCDM は Planck と KiDS-1000 の S8 値（Planck ≈0.80–0.83, KiDS-1000 ≈0.746）と一致する予測を示し、このモデルには S8 の緊張がない。
• すべてのデータ組み合わせ（BAOtr を含む）において ΛsCDM は ΛCDM より良い適合を示し、多くの場合で強〜非常に強いベイズ証拠を得る。
• 再結合前の物理は据え置き（ドラッグ赤shift、音響視野、Yp、ωb）し、年齢 t0 ≈ 13.522 Gyr の値を与え、独立した推定と整合。

Figure 3: The mean values with 68% CL on $H_{0}$ for the $\Lambda_{\rm s}$ CDM and $\Lambda$ CDM models from various data combinations. The left vertical band stands for Planck- $\Lambda$ CDM constraint: $H_{0}=67.36\pm 0.54{\rm\,km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ , and the right one is for the latest SH0ES mea