[論文レビュー] The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: Examining the observational evidence for dynamical dark energy

Gong‐Bo Zhao, Marco Raveri+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、宇宙論的データにおける緊張（特にBAOおよびCMBからのH₀およびΩₘ）が、標準的なΛCDMフレームワークの代わりに動的ダークエネルギー（DE）モデルによって解消可能かどうかを検討する。Kullback-Leibler（KL）発散を用いてデータの緊張を定量化し、動的DEモデルが乖離を軽減し、フィットの改善に基づいて3.5σの有意性で支持されることを発見したが、ベイズ的証拠はまだΛCDMを上回るのに十分でない。一方、もし真のモデルがその動的DEモデルであれば、将来のDESIがそのモデルを決定的に検出できると予想される。

ABSTRACT

A flat Friedman-Roberson-Walker universe dominated by a cosmological constant ($\Lambda$) and cold dark matter (CDM) has been the working model preferred by cosmologists since the discovery of cosmic acceleration. However, tensions of various degrees of significance are known to be present among existing datasets within the $\Lambda$CDM framework. In particular, the Lyman-$\alpha$ forest measurement of the Baryon Acoustic Oscillations (BAO) by the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) prefers a smaller value of the matter density fraction $\Omega_{ m M}$ compared to the value preferred by cosmic microwave background (CMB). Also, the recently measured value of the Hubble constant, $H_0=73.24\pm1.74 { m km} { m s}^{-1} { m Mpc}^{-1}$, is $3.4\sigma$ higher than $66.93\pm0.62 { m km} { m s}^{-1} { m Mpc}^{-1}$ inferred from the Planck CMB data. In this work, we investigate if these tensions can be interpreted as evidence for a non-constant dynamical dark energy (DE). Using the Kullback-Leibler (KL) divergence to quantify the tension between datasets, we find that the tensions are relieved by an evolving DE, with the dynamical DE model preferred at a $3.5\sigma$ significance level based on the improvement in the fit alone. While, at present, the Bayesian evidence for the dynamical DE is insufficient to favour it over $\Lambda$CDM, we show that, if the current best fit DE happened to be the true model, it would be decisively detected by the upcoming DESI survey.

研究の動機と目的

• 観測された宇宙論的データセットにおける緊張（特にH₀およびΩₘ）が、ΛCDMの代わりに動的ダークエネルギー（DE）モデルによって解消可能かどうかを評価すること。
• Kullback-Leibler発散を用いて、BAO（Lyman-αフォレスト）とCMB（Planck）によるΩₘ測定値の間の統計的緊張を定量化すること。
• フィットの改善とベイズ的証拠の両方を用いて、動的DEモデルがΛCDMよりも統計的にどれほど支持されるかを評価すること。
• 将来的な調査、特にDESIを想定して、現在の最良適合DEモデルが真であると仮定した場合の動的DEモデルの検出可能性を予測すること。

提案手法

• 独立した宇宙論的データセット（特にBAOとCMB測定）間の統計的緊張を測定するために、Kullback-Leibler（KL）発散を用いる。
• 完了したSDSS-III BOSS調査からの同一の観測データを用いて、動的ダークエネルギー（DE）モデルと標準的なΛCDMモデルのフィット品質を比較する。
• 動的DEモデルがΛCDMよりもフィットが改善された場合の有意水準を計算し、フィットの良さにのみ基づいて3.5σの支持を報告する。
• 改善されたフィットが、強力な支持がないにもかかわらず、動的DEモデルをΛCDMよりも優位にすべきかどうかをベイズ的証拠を用いて評価する。
• 現在の最良適合DEパラメータが真であると仮定した場合、将来のDESI調査が動的DEモデルをどの程度の感度で検出できるかを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙定数の代わりに動的ダークエネルギー（DE）モデルを導入することで、BAOとCMBによるΩₘ測定値の間の観測された緊張は解消可能か？
• RQ2 Kullback-Leibler発散によって定量化された場合、動的DEモデルを用いたフィットの改善は、ΛCDMと比較してどの程度有意義か？
• RQ3 改善されたフィットがあるにもかかわらず、ベイズ的証拠は動的DEモデルをΛCDMよりも支持するか？
• RQ4 現在の最良適合動的DEモデルが真のモデルであると仮定した場合、将来のDESI調査はそのモデルを決定的に検出できるか？

主な発見

• Kullback-Leibler発散分析により、BAOとCMBによるΩₘ測定値の間の緊張が、動的ダークエネルギー（DE）モデルによって顕著に軽減されることが示された。
• フィット品質の改善に基づいて、動的DEモデルはΛCDMよりも3.5σの有意水準で支持されている。
• 改善されたフィットにもかかわらず、ベイズ的証拠は現在のところ動的DEモデルをΛCDMよりも支持せず、統計的根拠が不十分であることを示している。
• 現在の最良適合動的DEモデルが真のモデルであるならば、将来のDESI調査はそのモデルを決定的に検出できるだろう。
• 本研究では、動的ダークエネルギーによるH₀の緊張とΩₘの乖離の解決策が同定されたが、確認のためさらなるデータが必要である。