[論文レビュー] Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck

Planck Collaboration, Y. Akrami+189 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 385被引用数 295

ひとこと要約

本論文は、2009年から2013年までの全天空宇宙マイクロ波背景（CMB）マップを用いて、標準ΛCDMモデルに対する最も正確な制約を提供する、プラネタリウム宇宙ミッションの宇宙論的遺産を提示する。この研究は、ΛCDMモデルを、6つのパラメータのうち5つを1%未塔の精度で測定し、特にθ∗を0.03%の精度で測定するなど、未曾有の正確さで確認した。また、標準物理学からの逸脱に対する厳しい制約を設けつつ、低赤方偏移プローブとの間で依然として存在する矛盾を浮き彫りにした。

ABSTRACT

The European Space Agency's Planck satellite, which was dedicated to studying the early Universe and its subsequent evolution, was launched on 14 May 2009. It scanned the microwave and submillimetre sky continuously between 12 August 2009 and 23 October 2013, producing deep, high-resolution, all-sky maps in nine frequency bands from 30 to 857GHz. This paper presents the cosmological legacy of Planck, which currently provides our strongest constraints on the parameters of the standard cosmological model and some of the tightest limits available on deviations from that model. The 6-parameter LCDM model continues to provide an excellent fit to the cosmic microwave background data at high and low redshift, describing the cosmological information in over a billion map pixels with just six parameters. With 18 peaks in the temperature and polarization angular power spectra constrained well, Planck measures five of the six parameters to better than 1% (simultaneously), with the best-determined parameter (theta_*) now known to 0.03%. We describe the multi-component sky as seen by Planck, the success of the LCDM model, and the connection to lower-redshift probes of structure formation. We also give a comprehensive summary of the major changes introduced in this 2018 release. The Planck data, alone and in combination with other probes, provide stringent constraints on our models of the early Universe and the large-scale structure within which all astrophysical objects form and evolve. We discuss some lessons learned from the Planck mission, and highlight areas ripe for further experimental advances.

研究の動機と目的

• プランクミッションの最終的宇宙論的結果を提供し、ΛCDMモデルに対する最も正確な制約をもたらすこと。
• 9つの周波数帯で得られた高分解能・全天空CMBマップを用いて、ΛCDMモデルの頑健性を検証すること。
• 高赤方偏移のCMBデータと低赤方偏移の大規模構造測定値との間の矛盾を特定および定量化すること。
• 改良されたキャリブレーション、成分分離、尤度パイプラインを備えた包括的かつ公開可能なデータリリースを提供すること。
• プランクデータがインフレーション、ニュートリノ質量、ダークマター、ダークエネルギーといった基礎物理学に与える影響を評価すること。

提案手法

• 2009年から2013年までの4.5年間にわたり、30〜857 GHzの範囲で連続的かつ高感度な全天空マイクロ波およびサブミリ波放射観測の取得。
• CMBと銀河系および銀河間の前景を分離するための高度な成分分離アルゴリズム（例：Commander、SMICA）の適用。
• 18個のピークにわたる温度および偏光の角度パワー スペクトルの高精度推定。宇宙分散制限測定がℓ ≈ 1600まで達成された。
• 温度、偏光、およびレンズ効果再構成のための新しい尤度パイプライン（例：Commander、Simall、Planck LFI/HFI尤度）の開発。
• CMBレンズ効果と大規模構造調査（例：弱引力レンズ、BAO、クラスタ数）の相互相関を用いて、ΛCDMの整合性をテストすること。
• 全データストリームにわたるシステムティクス、キャリブレーション、尤度不確実性の検証のための広範なシミュレーションの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全プランクCMBデータセットを用いて、6パラメータのΛCDMモデルはどの程度正確に制約可能か？
• RQ2 プランク測定値は、インフレーション宇宙論とガウス型初期条件の予測をどの程度確認するか？
• RQ3 プランクの高赤方偏移CMB制約と、低赤方偏移のH₀、σ₈、S₈のプローブとの間に顕著な矛盾は存在するか？
• RQ4 プランクデータから得られるニュートリノ質量、ダークマターの消失、原始的重力波に対する現在の最も厳しい制限は何か？
• RQ5 プランクの結果は、宇宙定数および一般相対性理論が大スケールでどの程度支持されるか？

主な発見

• ΛCDMモデルは、プランクCMBデータに極めて正確に適合しており、6つのパラメータのうち5つが1%未塔の精度で測定され、特に最も正確に決定されたパラメータ（θ∗）は0.03%の精度で知られている。
• 空間曲率は5×10⁻³のレベルで平坦であると制約され、空間的に平坦な宇宙が極めて高い有意水準で支持されている。
• ニュートリノ質量はO(0.1 eV)の範囲に制限され、相対論的粒子の数は3つの軽いニュートリノと一致しており、追加の軽いレリクスの存在を否定している。
• 原始的フラクチュエーションの振幅は、ガウス性と非常に高い程度で一致しており、5%水準で原始的重力波の証拠は見つかっていない。
• 低赤方偏移プローブ（例：弱引力レンズ、Ia型超新星）からのハッブル定数（H₀）およびσ₈の測定値は、プランクのΛCDM予測と3–4σの矛盾を示しており、おそらく系統誤差または新しい物理の可能性を示唆している。
• プランクデータはバリオン的ダークマターを強く否定しており、原始的フラクチュエーションが非常に初期に起源を持つことを確認しており、インフレーションモデルと整合的である。