[논문 리뷰] Assessing the robustness of sound horizon-free determinations of the Hubble constant

Tristan L. Smith, Vivian Poulin외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 27.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $\Lambda$CDM 및 $\Lambda$CDM를 초월한 모델 내에서 BOSS 은하 파wer 스펙트럼을 이용한 음파 반경 $r_s$-자유 결정법을 통해 허블 상수 $H_0$를 평가한다. 분석 결과, $H_0$ 제약 조건은 모델 가정과 사전 확률에 매우 민감하며, 새로운 물리학을 독립적으로 검증할 수 있다는 주장을 약화시킨다. EDE 및 $\Delta N_{\rm eff}$ 모델은 높은 $H_0$ 값을 도출하지만, $\Delta m_e$ 모델은 $\Lambda$CDM와 일치하며, 현재 데이터는 SH0ES나 Planck와의 상당한 괴리 없이 일관된다.

ABSTRACT

The Hubble tension can be addressed by modifying the sound horizon ($r_s$) before recombination, triggering interest in $r_s$-free early-universe estimates of the Hubble constant, $H_0$. Constraints on $H_0$ from an $r_s$-free analysis of the full shape BOSS galaxy power spectra within LCDM were recently reported and used to comment on the viability of physics beyond LCDM. Here we demonstrate that $r_s$-free analyses with current data depend on the model and the priors placed on the cosmological parameters, such that LCDM analyses cannot be used as evidence for or against new physics. We find that beyond-LCDM models which introduce additional energy density with significant pressure support, such as early dark energy (EDE) or additional neutrino energy density ($ΔN_{ m eff}$), lead to larger values of $H_0$. On the other hand, models which only affect the time of recombination, such as a varying electron mass ($Δm_e$), produce $H_0$ constraints similar to LCDM. Using BOSS data, constraints from light element abundances, cosmic microwave background (CMB) lensing, a CMB-based prior on the scalar amplitude ($A_s$), spectral index ($n_s$), and $Ω_m$ from the Pantheon+ supernovae data set, we find that in LCDM, $H_0=64.9\pm 2.2$ km/s/Mpc; EDE, $H_0=68.7^{+3}_{-3.9}$; $ΔN_{ m eff}$, $H_0=68.1^{+2.7}_{-3.8}$; $Δm_e$, $H_0=64.7^{+1.9}_{-2.3}$. Using a prior on $Ω_m$ from uncalibrated BAO and CMB measurements of the projected sound horizon, these values become in LCDM, $H_0=68.8^{+1.8}_{-2.1}$; EDE, $H_0=73.7^{+3.2}_{-3.9}$; $ΔN_{ m eff}$, $H_0=72.6^{+2.8}_{-3.7}$; $Δm_e$, $H_0=68.8\pm 1.9$. With current data, none of the models are in significant tension with SH0ES, and consistency tests based on comparing $H_0$ posteriors with and without $r_s$ marginalization are inconclusive with respect to the viability of beyond LCDM models.

연구 동기 및 목표

• BOSS 은하 파워 스펙트럼의 $r_s$-자유 분석이 $H_0$에 대해 강건하고 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 제공할 수 있는지 평가하기 위해.
• 그러한 $H_0$ 제약 조건이 $\Lambda$CDM를 초월한 물리학을 지지하거나 반박하는 증거로 사용될 수 있는지 평가하기 위해.
• 특히 초기 어둠 energetic 에너지(EDE), 추가 중성미자 에너지 밀도($\Delta N_{\rm eff}$), 전자 질량 변화($\Delta m_e$) 등의 $\Lambda$CDM를 초월한 모델이 $r_s$를 통합할 경우 $H_0$ 추정치에 어떤 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• Pantheon+ 초신성 Ia 및 校정되지 않은 BAO/CMB 측정값에서 유도된 $\Omega_m$에 대한 다양한 사전 확률을 적용했을 때 $H_0$ 제약 조건의 강건성 테스트를 위해.

제안 방법

• BOSS DR12 은하 파워 스펙트럼의 $r_s$-통합된 전체 형태 분석을 $\Lambda$CDM 및 $\Lambda$CDM를 초월한 모델 내에서 수행한다.
• 빅뱅 핵합성(BBN)에서 유도된 비율 밀도, Planck에서 유도된 CMB 렌즈링, 스케일 불변성($A_s$) 및 스펙트럼 기울기($n_s$)에 대한 사전 확률을 적용한다.
• 두 가지 다른 $\Omega_m$ 사전 확률을 사용: 하나는 Pantheon+ 초신성 Ia 데이터 세트에서 유도된 것이고, 다른 하나는 校정되지 않은 BAO 및 CMB 측정값에서 유도된 프로젝션된 음파 반경($\theta_{s,d}^{\rm BAO/CMB}$)이다.
• 모든 모델과 사전 확률에 대해 $H_0$의 사후 분포를 계산하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 사용한다.
• 최소 파수($k_{\rm min}$)를 변화시켜 파wer 스펙트럼 분석에서 피크 정보를 제거하고, BAO 스무딩 알고리즘을 수정하여 $r_{s,d}$ 값 전역에서 복합형을 정확히 제거할 수 있도록 강건성 테스트를 수행한다.
• Pantheon+ 전체 가능성과 단순화된 사전 확률 간의 비교를 통해 $\Omega_m$ 사전 확률의 사용 타당성을 검증하여, 모든 모델에서 일관성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BOSS 은하 파워 스펙트럼의 $r_s$-자유 분석이 $H_0$에 대해 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 $H_0$ 제약 조건이 다양한 천체물리 모델과 사전 확률을 변화시켜도 유지되는가?
• RQ3 $r_s$를 통합할 경우, $\Lambda$CDM를 초월한 모델—EDE, $\Delta N_{\rm eff}$, $\Delta m_e$—는 $H_0$ 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 $\Omega_m$에 대한 다양한 사전 확률은 $r_s$-자유 분석에서 $H_0$ 제약 조건을 얼마나 변화시키는가?
• RQ5 $r_s$ 통합 여부에 따른 $H_0$ 사후 분포 기반의 일관성 테스트는 $\Lambda$CDM와 새로운 물리학을 명확히 구분하는 데 결론적일 수 있는가?

주요 결과

• Pantheon+ $\Omega_m$ 사전 확률을 사용한 $\Lambda$CDM에서, BOSS 파워 스펙트럼의 $r_s$-자유 분석으로부터 $H_0 = 64.9 \pm 2.2$ km/s/Mpc를 도출한다.
• BCG 및 CMB에서 유도된 校정되지 않은 $\Omega_m$ 사전 확률을 사용할 경우, $\Lambda$CDM에서 $H_0$는 $68.8^{+1.8}_{-2.1}$ km/s/Mpc로 증가하여 SH0ES 값에 가까워진다.
• 초기 어둠 에너지(EDE) 모델에서, 동일한 校정되지 않은 $\Omega_m$ 사전 확률을 사용할 경우 $H_0 = 73.7^{+3.2}_{-3.9}$ km/s/Mpc를 도출하며, Planck 결과와는 상당한 괴리가 있지만 SH0ES 결과와는 일치한다.
• $\Delta N_{\rm eff}$ 모델에서는 동일한 사전 확률 조건에서 $H_0 = 72.6^{+2.8}_{-3.7}$ km/s/Mpc를 도출하며, 역시 SH0ES 결과와 일치한다.
• $\Delta m_e$ 모델에서는 $H_0 = 68.8 \pm 1.9$ km/s/Mpc를 도출하며, 동일한 사전 확률 조건에서 $\Lambda$CDM와 거의 동일하여 $H_0$에 변화가 없다는 것을 시사한다.
• 은하 파워 스펙트럼 피크의 위치는 $H_0$ 제약 조건에 크게 영향을 주지 않으며, 피크 정보를 제거하기 위해 $k_{\rm min}$을 증가시켜도 동일한 사후 분포를 얻는 것으로 확인되었다.