[論文レビュー] The $H_0$ and $S_8$ tensions necessitate early and late time changes to $Λ$CDM

Steven J. Clark, Kyriakos Vattis+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、宇宙論における$H_0$および$S_8$の矛盾を同時に解消するため、初期の暗黒エネルギー（EDE）と崩壊する暗黒物質（DDM）を組み合わせたモデルを提案する。EDEによりハッブル定数を増加させ、DDMにより後期の構造形成を抑制することで、両方の矛盾が95%信用区間内に収まる。$\Lambda$CDMモデルよりも$\Delta\text{AIC} = -6.72$の強い優位性を示す。この解決策は、$\Lambda$CDMモデルに初期および後期の両方の修正を加える必要があることを示しており、宇宙の時間的スケールにわたる補完的物理学の必要性を示唆している。

ABSTRACT

An only early or only late time alteration to $Λ$CDM has been inadequate at resolving both the $H_0$ and $S_8$ tensions simultaneously; however, a combination of early and late time alterations to $Λ$CDM can provide a solution to both tensions. As an illustration, we examine a combined Early Dark Energy - Decaying Dark Matter model. While early dark energy has the ability to resolve the $H_0$ tension, it leads to a discrepancy in $S_8$ measurements. We show that the addition of decaying dark matter helps resolve the $S_8$ discrepancy that would otherwise be enhanced in an early dark energy model, while the latter is able to relieve the $H_0$ disagreement to within the 95th percentile interval. Our results show a preference for the combined model over $Λ$CDM with $Δ m{AIC} = -6.72$, hinting that both early and late universe modifications may be necessary to address the cosmological tensions.

研究の動機と目的

• 宇宙論における持続的な$H_0$および$S_8$の矛盾が、標準の$\Lambda$CDMモデルに挑戦するという事実を扱う。
• 初期および後期の両方の修正を$\Lambda$CDMに加えることで、両方の矛盾を同時に解消できるかを調査する。
• 初期の暗黒エネルギー（EDE）と崩壊する暗黒物質（DDM）を組み合わせたモデルが、統合的解決策としての妥当性を検証する。
• AICなどの情報基準を用いて、EDE-DDMモデルが標準の$\Lambda$CDMモデルに対してどれほど統計的に優位であるかを評価する。
• 現在の宇宙論的データの文脈において、DDMパラメータのデゲネラシー構造と事前分布への感受性を調査する。

提案手法

• 本研究では、高赤方偏移（$z \gtrsim 3000$）で支配的になる追加の初期暗黒エネルギー成分を含む、$\Lambda$CDMフレームワークを修正する。これにより、音響スケールが小さくなり、$H_0$が増加する。
• 崩壊する暗黒物質成分を導入し、質量を持つコールド暗黒物質粒子が質量ゼロおよび質量を持つ娘粒子に崩壊する（$\psi \to \gamma' + \chi$）ことで、後期の構造形成が抑制される。
• DDMパラメータに線形および対数スケールの事前分布を用いて感受性を評価するため、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いて宇宙論的パラメータ推定を実施する。
• CMB非一様性パワースペクトル、BAO測定、および後期の$H_0$および$S_8$観測データを含む複数のデータセットに対して、モデルをテストする。
• Akaike情報基準（AIC）を用いてモデル比較を実施し、$\Delta\text{AIC}$を用いてEDE-DDMモデルが$\Lambda$CDMモデルに対してどれほど優位であるかを定量化する。
• 特に$\Omega_{\text{EDE}}$、$a_{\text{EDE}}$、$\Gamma$、$\epsilon$などの主要パラメータの事後分布を評価し、制約とデゲネラシーを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\Lambda$CDMモデルへの初期および後期の両方の修正を組み合わせることで、$H_0$および$S_8$の両方の矛盾を同時に解消できるか？
• RQ2 崩壊する暗黒物質の導入により、EDEモデルが引き起こす$S_8$の増大を抑制できるか？
• RQ3 情報基準を用いて、EDE-DDMモデルが$\Lambda$CDMモデルに対してどれほど統計的に優位であるかを定量的に評価できるか？
• RQ4 EDEおよびDDMパラメータの制約は何か？また、線形対数事前分布などの事前仮定に依存するか？
• RQ5 DDMパラメータ$\Gamma$および$\epsilon$は$S_8$にどの程度影響を及ぼすか？また、後期の測定値と整合性を回復できるか？

主な発見

• EDE-DDMモデルにより、$H_0$の矛盾は$1.6\sigma$にまで低下し、$H_0 = 71 \pm 1 \, \text{km} \, \text{s}^{-1} \, \text{Mpc}^{-1}$となり、95パーセンタイル区間内に収まる。
• $S_8$の矛盾は完全に解消され、$S_8 = 0.78 \pm 0.02$となり、後期の測定値と比較して$0.4\sigma$のずれにまで低下する。
• EDE-DDMモデルは$\Lambda$CDMモデルに対して強い統計的優位性を示し、$\Delta\text{AIC} = -6.72$であり、追加のパラメータがあるにもかかわらず適合度が向上していることを示している。
• EDE成分は$\Omega_{\text{EDE}} = 2.1_{-0.9}^{+0.8} \times 10^{-7}$および$\log_{10}(a_{\text{EDE}}) = -3.69_{-0.08}^{+0.06}$に制約され、以前のEDE研究と整合的である。
• DDMパラメータは$\Gamma < 0.017 \, \text{Gyr}^{-1}$および$\epsilon < 0.016$に制約され、事後分布はゼロに近いが、依然として$S_8$の抑制に効果的である。
• $\Gamma$および$\epsilon$の事後分布は$\Lambda$CDMとデゲネラシーを示すが、それらの導入により$S_8$と$\Omega_{\text{cdm}}^{\text{ini}}$の関係が分離され、後期のデータと整合的になる。