[論文レビュー] The Ups and Downs of Early Dark Energy solutions to the Hubble tension: a review of models, hints and constraints circa 2023

Vivian Poulin, Tristan L. Smith+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 14

ひとこと要約

本論文はHubble tensionsを解決するために提案されたEarly Dark Energy (EDE)モデルを概観し、それらの現象論とデータ制約（Planck、BAO、SN1a、ACT、SPT）をレビューし、将来の検証の展望とともに理論的および観測的課題を論じる。

ABSTRACT

We review the current status of Early Dark Energy (EDE) models proposed to resolve the "Hubble tension", the discrepancy between "direct" measurements of the current expansion rate of the Universe and "indirect measurements" for which the values inferred rely on the $Λ$CDM cosmological model calibrated on early-universe data. EDE refers to a new form of dark energy active at early times (typically a scalar-field), that quickly dilutes away at a redshift close to matter-radiation equality. The role of EDE is to decrease the sound horizon by briefly contributing to the Hubble rate in the pre-recombination era. We summarize the results of several analyses of EDE models suggested thus far in light of recent cosmological data, including constraints from the canonical {\it Planck} data, baryonic acoustic oscillations and Type Ia supernovae, and the more recent hints driven by cosmic microwave background observations using the Atacama Cosmology Telescope. We also discuss potential challenges to EDE models, from theoretical ones (a second "cosmic coincidence" problem in particular) to observational ones, related to the amplitude of clustering on scales of $8h$/Mpc as measured by weak-lensing observables (the so-called $S_8$ tension) and the galaxy power spectrum from BOSS analyzed through the effective field theory of large-scale structure. We end by reviewing recent attempts at addressing these shortcomings of the EDE proposal. While current data remain inconclusive on the existence of an EDE phase, we stress that given the signatures of EDE models imprinted in the CMB and matter power spectra, next-generation experiments can firmly establish whether EDE is the mechanism responsible for the Hubble tension and distinguish between the various models suggested in the literature.

研究の動機と目的

• Hubble tensionを要約し、EDEが再結合前の一過性エネルギー密度を介してそれにどう対処しようとするかを整理する。
• 主要なEDEモデルクラスとそれらの理論的動機およびパラメータをレビューする。
• Planck、BAO、SN1a、ACT、SPTデータがEDEをどのように制約し、H0およびその他の観測量に与える影響を評価する。
• EDEが直面する理論的・観測的課題（第二の宇宙の同時性問題、S8不一致、BOSSデータなど）と今後の展望について論じる。

提案手法

• ポテンシャル形状、力学的機構、結合によってEDEモデルを分類する。
• EDEの背景進化と摂動の挙動、およびWeylポテンシャル、CMB、物質力学的パワースペクトルへの影響を説明する。
• Planck、BAO、SN1a、および高-ℓデータとEDE予測を比較し、ΛCDMに対するΔχ^2を報告する。
• プランckとSH0ESデータを用いたaxion様EDE（axEDE）およびその変種の解析を、偏光を含めて要約する。
• ΛCDMおよび後期宇宙論との結合（縮退）などの制限を論じ、欠点に対処するためのモデル拡張を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主要なEarly Dark Energyモデルと、再結合前の一過性エネルギー密度をもたらす機構は何か。
• RQ2 Planck、BAO、SN1a、ACT、SPTデータはEDEパラメータをどのように制約し、推定されるH0にどのように影響するか。
• RQ3 EDEモデルは他の観測量（S8、BOSSなど）と致命的な矛盾を生じさせずにHubble tensionを和らげられるか。
• RQ4 EDEが直面する主な理論的・観測的課題は何か、拡張や別の定式化はそれらに対処できるか。

主な発見

• EDEモデルは、H0を高めるには z ≈ 1,000–10,000 付近で最大の分数的エネルギー密度が約10%を必要とすることが多い。
• Planck、BAO、 SN1aデータに適合させると、EDEはSH0ESとの整合性を改善しΛCDMより高いH0を与える可能性があり、Δχ^2はSH0ESへの適合度が向上しPlanckにも僅かに良い適合を示す。
• いくつかの分析はEDEがH0をSH0ESの約2σの範囲に収めうることを示すが、後期時代の構造成長（S8）や銀河パワースペクトルデータとの緊張は残る。
• ACTデータにはEDEの兆候が議論され、SPTデータが制約に影響を与える；全体として結論は出ておらず、データの組み合わせと偏光情報に依存する。
• このレビューは理論的課題（第二の宇宙的同時性問題、過適合）と観測的緊張（S8、BOSS、宇宙 age）を強調し、将来の実験（Simons Observatory、CMB-S4）がEDEの署名を決定的に検証できる可能性があると述べている。
• 特定のEDEモデルが決定的に有利とは言えない。次世代データがHubble tensionの解決としてのEDEを確認または反証する上で重要になる。