[論文レビュー] Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters

Planck Collaboration, N. Aghanim+180 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 402被引用数 3,576

ひとこと要約

本論文は、全ミッションにわたる宇宙マイクロ波背景（CMB）の温度および偏光非均一性と、レンズ効果再構成を組み合わせた、最終的なPlanck 2018年の宇宙論的パラメータ制約を提示する。ベースのΛCDMモデルは高い精度で確認され、H₀ = 67.4 ± 0.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹、σ₈ = 0.811 ± 0.006、τ = 0.054 ± 0.007を示すが、局所的なH₀測定値および一部の大規模構造データとの間に持続的な矛盾が明らかになった。

ABSTRACT

We present cosmological parameter results from the final full-mission Planck measurements of the CMB anisotropies. We find good consistency with the standard spatially-flat 6-parameter $\Lambda$CDM cosmology having a power-law spectrum of adiabatic scalar perturbations (denoted "base $\Lambda$CDM" in this paper), from polarization, temperature, and lensing, separately and in combination. A combined analysis gives dark matter density $\Omega_c h^2 = 0.120\pm 0.001$, baryon density $\Omega_b h^2 = 0.0224\pm 0.0001$, scalar spectral index $n_s = 0.965\pm 0.004$, and optical depth $ au = 0.054\pm 0.007$ (in this abstract we quote $68\,\%$ confidence regions on measured parameters and $95\,\%$ on upper limits). The angular acoustic scale is measured to $0.03\,\%$ precision, with $100 heta_*=1.0411\pm 0.0003$. These results are only weakly dependent on the cosmological model and remain stable, with somewhat increased errors, in many commonly considered extensions. Assuming the base-$\Lambda$CDM cosmology, the inferred late-Universe parameters are: Hubble constant $H_0 = (67.4\pm 0.5)$km/s/Mpc; matter density parameter $\Omega_m = 0.315\pm 0.007$; and matter fluctuation amplitude $\sigma_8 = 0.811\pm 0.006$. We find no compelling evidence for extensions to the base-$\Lambda$CDM model. Combining with BAO we constrain the effective extra relativistic degrees of freedom to be $N_{ m eff} = 2.99\pm 0.17$, and the neutrino mass is tightly constrained to $\sum m_ u< 0.12$eV. The CMB spectra continue to prefer higher lensing amplitudes than predicted in base -$\Lambda$CDM at over $2\,\sigma$, which pulls some parameters that affect the lensing amplitude away from the base-$\Lambda$CDM model; however, this is not supported by the lensing reconstruction or (in models that also change the background geometry) BAO data. (Abridged)

研究の動機と目的

• 全PlanckミッションCMBデータセットからの最終的で高精度な宇宙論的パラメータ制約を提供すること。
• 温度、偏光、レンズ効果データを統合して、ベースのΛCDMモデルの妥当性を検証すること。
• 特に局所的H₀測定値およびDES銀河クラスタリングと比較して、Planck結果と外部データセットとの間に生じる矛盾を調査すること。
• ダークエネルギー、ニュートリノ質量、追加の相対論的粒子、初期スケール非ガウス性を含むΛCDMの拡張を制約すること。
• multipoleとレンズ効果再構成の間でCMBデータの内部整合性を評価すること。

提案手法

• 30–2900 MHzの全ミッションPlanck温度および偏光マップ（TT, TE, EE）を用い、低ℓおよび高ℓの尤度を改善した。
• 温度および偏光スペクトルの尤度にPlik、CamSpec、低ℓ尤度を適用し、ビームおよびビーム伝達関数を精確にモデル化した。
• 2次推定器とシミュレーションによるキャリブレーションを用いて、CMBレンズ効果尤度をレンズ効果ポテンシャル再構成から導出した。
• CosmoMCおよびMontePythonフレームワークを用いた、MCMCサンプリングを用いた統合ベイズ的パラメータ推定を実施した。
• w₀, wa, Neff, mν, 初期スケールテンソル対スカラー比rのパラメータ化された尤度スキャンとグリッドベースのスキャンを用いて、モデル拡張をテストした。
• Planckデータと外部プローブ（例：BAO（BOSS, SDSS）、Ia超新星（Pantheon）、弱レンズ（DES））を組み合わせ、統合的制約を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全Planck CMBデータセットからのベースのΛCDMパラメータの最も正確な制約は何か？
• RQ2 PlanckのCMB測定値は局所的H₀測定値とどのように比較できるか？その矛盾の有意水準は？
• RQ3 Planckデータは、非ゼロのニュートリノ質量、追加の相対論的粒子、またはダークエネルギーのダイナミクスといったΛCDMの拡張をどの程度支持するか？
• RQ4 純粋なパワー法則初期スカラースペクトルからの逸脱、またはNeff = 3.046の標準値からの逸脱の証拠はあるか？
• RQ5 高ℓおよび低ℓのCMBスぺクトルはどの程度整合的か？レンズ効果再構成は潜在的なシステムティック効果をどのように明らかにするか？

主な発見

• ベースのΛCDMモデルはPlanckデータと強く整合し、ハッブル定数H₀ = 67.4 ± 0.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹、物質密度Ωₘ = 0.315 ± 0.007、σ₈ = 0.811 ± 0.006を示した。
• 再電離の光学的厚さはτ = 0.054 ± 0.007と測定され、大規模な偏光データの向上により精度が向上した。
• スカラースペクトル指数はns = 0.965 ± 0.004に制約され、角周波数スケールは100θ* = 1.0411 ± 0.0003（0.03%の精度）で測定された。
• 相対論的粒子の有効数はNeff = 2.99 ± 0.17（BAOを含む）であり、標準モデルの予測値3.046と整合的であった。
• ニュートリノ質量はきびしく制約され、95%信頼区間で∑mν < 0.12 eVであり、デジェネレートな活性ニュートリノの証拠は見つからなかった。
• BAOおよびSNeデータと組み合わせた場合、ダークエネルギーの状態方程式はw₀ = −1.03 ± 0.03となり、コスモロジカル定数と整合的であった。
• 局所的H₀測定値（Riess et al. 2019）との間に3.6σの矛盾が残っており、Planckデータ内での単純なモデル拡張では解消されなかった。
• PlanckベースのΛCDMモデル下で、ビッグバン核合成（BBN）のヘリウムおよび重水素の生成量予測は観測と極めて良好に一致した。
• 初期スケール非ガウス性、テンソルモード（r₀.₀₀₂ < 0.06）、質量を持つステアリングニュートリノの証拠は見つからなかった。