[論文レビュー] The $H_0$ Olympics: A fair ranking of proposed models

Nils Schöneberg, Guillermo Franco Abellán+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、17の宇宙論的モデルを、標準化された観測データおよび指標の枠組みで、体系的かつデータ駆動的に比較する。EDE（初期の暗黒エネルギー）およびNEDE（新規初期暗黒エネルギー）モデルが、現在のデータに最も整合性のある適合を示す。特に、Planck CMB、BAO、Pantheon超新星データを組み合わせた場合に顕著であるが、S8の緊張を解消せず、宇宙の年齢が若いという懸念を呈する。

ABSTRACT

Despite the remarkable success of the $Λ$Cold Dark Matter ($Λ$CDM) cosmological model, a growing discrepancy has emerged (currently measured at the level of $\sim 4-6 σ$) between the value of the Hubble constant $H_0$ measured using the local distance ladder and the value inferred using the cosmic microwave background and galaxy surveys. While a vast array of $Λ$CDM extensions have been proposed to explain these discordant observations, understanding the (relative) success of these models in resolving the tension has proven difficult -- this is a direct consequence of the fact that each model has been subjected to differing, and typically incomplete, compilations of cosmological data. In this review, we attempt to make a systematic comparison of sixteen different models which have been proposed to resolve the $H_0$ tension (spanning both early- and late-Universe solutions), and quantify the relative success of each using a series of metrics and a vast array of data combinations. Owing to the timely appearance of this article, we refer to this contest as the ''$H_0$ Olympics''; the goal being to identify which of the proposed solutions, and more broadly which underlying mechanisms, are most likely to be responsible for explaining the observed discrepancy (should unaccounted for systematics not be the culprit). This work also establishes a foundation of tests which will allow the success of novel proposals to be meaningful ''benchmarked''.

研究の動機と目的

• Hubble緊張を解消するモデルを評価するための公平で体系的なベンチマークフレームワークを確立すること。
• 同一のデータコンビネーションと統計的指標を用いて、17の初期宇宙および後期宇宙モデルの相対的な成功度を比較すること。
• 局所的H0測定値とCMBおよびBAOからの初期宇宙制約を最もよく調和させるモデルを特定すること。
• H0緊張とS8緊張の両方を同時に緩和するモデルが存在するかを評価すること。
• Planck、WMAP、ACT、BAO、Pantheonを含むさまざまなデータセットにおいて、モデルの性能の頑健性を評価すること。

提案手法

• 著者らは、公平性を保つために、同一のデータコンビネーションと統計的指標を用いて、17のモデルに対して統一された尤度解析を適用する。
• モデルは4段階のデータラウンドでテストされる：(A) Planck + BAO 対 SH0ES；(B) Pantheon超新星データの追加；(C) Planckの役割の評価；(D) 他のデータセットの追加。
• モデル比較のための事後分布およびトライアングルプロットを計算するために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いる。
• 相対的な成功度を定量化するために、ベイズ的証拠、Δχ²、およびベイズ的証拠比を評価基準とする。
• CMBデータセット（Planck、WMAP、ACT）と初期宇宙プローブ（BBN、BAO、SNe）を複数組み合わせることで、モデルの頑健性をテストする。
• 宇宙の年齢のモデル予測を、古い星の観測された13.5 Gyrの年齢と比較することで、整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準化された公平な比較フレームワーク下で、17の提案モデルの中でHubble緊張を最もよく解消するのはどれか？
• RQ2 Planck CMBデータの有無・無しに結果がどのように依存するか。これはモデルの頑健性に何を示唆するか？
• RQ3 H0緊張とS8緊張の両方を同時に緩和するモデルは存在するか。それとも、一方を犠牲にして他方を緩和するのか？
• RQ4 音響ホライズンを変更することでH0を増加させるモデルは、宇宙の予測年齢にどのような影響を及ぼし、観測された古い星の13.5 Gyrの年齢と整合性があるか？
• RQ5 代替的な初期宇宙データ（例：WMAP、ACT、BBN）は、H0緊張を解消するモデルを制約する上で果たす役割は何か？

主な発見

• EDE（初期の暗黒エネルギー）およびNEDE（新規初期暗黒エネルギー）モデルは、複数のデータコンビネーションにおいて、最も強い統計的支援を示す。特に、Planck、BAO、Pantheonデータを組み合わせた場合に顕著である。
• EDEおよびNEDEモデルはデータに良好に適合し、H0緊張をほぼゼロの残差にまで低減するが、S8緊張は解消しない。
• PlanckデータをBBNまたはWMAP/ACTデータに置き換えると、EDEおよびNEDEへの好まれ具合が低下する。これは、CMBデータの選択に敏感であることを示唆する。
• 音響ホライズンを変更することでH0を増加させるモデルは、より若い宇宙の年齢（tU ≈ 1/H0）を予測し、ΛCDMの予測値を下回る値を示す。これは、古い星の観測された13.5 Gyrの年齢と矛盾を呈する。
• マジョロンモデルは、UV完全理論に結びついているため、例外的であるとされる。ニュートリノ質量やバリオン非対称性の解決に寄与する可能性があるが、H0適合においてEDE/NEDEを上回らない。
• 研究されたモデルのいずれも、S8緊張を顕著に緩和しない。DM-DRや強く相互作用するニュートリノなど、かつて有望視されていたモデルも、現在のデータでは不適切とされる。