[논문 리뷰] $Λ$CDM is alive and well

Alain Blanchard, Jean-Yves Héloret외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 10.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 112인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 허블 상수 측정의 국소적 계단 측정에서의 잠재적 편향(특히 세프라이드 캘리브레이션)으로 인한 허블 긴장 문제를 ΛCDM 모델의 결함이 아니라 보는 방식으로 표준 ΛCDM 모델이 통계적으로 타당하다고 주장한다. 이 편향을 노이즈 파라미터로 모델링함으로써, ΛCDM에 편향된 H₀ 측정값을 적용한 경우 대부분의 제안된 ΛCDM 확장 모델보다 더 나은 적합도(ΔAIC)를 보이며, 현재의 천체물리학적 긴장을 통계적으로 선호되는 해결책을 제공한다.

ABSTRACT

The $Λ$CDM model faces several tensions with recent cosmological data and their increased accuracy. The mismatch between the values of the Hubble constant $H_0$ obtained from direct distance ladder measurements and from the cosmic microwave background (CMB) is the most statistically significant, but the amplitude of the matter fluctuations is also regarded as a serious concern, leading to the investigation of a plethora of models. We first show that the combination of several recent measurements from local probes leads to a tight constraint on the present-day matter density $Ω_M$ as well as on the amplitude of the matter fluctuations, both acceptably consistent with the values inferred from the CMB. Secondly, we show that the data on cosmic chronometers allow to derive an accurate value of the Hubble constant $H_0$ for $Λ$CDM models: $H_0 = 67.4 \pm 1.34$ km/s/Mpc. This implies that, within $Λ$CDM, some determinations of $H_0$ are biased. Considering a bias on the Hubble constant as a nuisance parameter within $Λ$CDM, we examine such a $Λ$CDM$+ H_0$ bias model on the same statistical grounds as alternative cosmological models. We show that the former statistically supersede most existing extended models proposed up to now. In a third step, we show that the value of $Ω_M$ we obtained, combined with $H_0$ from SH0ES, leads to an accurate measurement of $ω_M$, providing an additional low-redshift test for cosmological models. From this test, most extensions seem to be confronted with a new tension, whereas the $Λ$CDM with $H_0 \sim 67 $ has none. We conclude that a standard $Λ$CDM model with an unknown bias in the Cepheids distance calibration represents a model that reaches a remarkable agreement, statistically better than previously proposed extensions with $H_0 \sim 73 $ for which such a comparison can be performed. (abridged)

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 모델의 결함이 아니라 국소 측정에서의 잠재적 시스템적 오차로 허블 긴장과 물질 불안정성 진폭 긴장을 재평가한다.
• 세프라이드 거리 캘리브레이션의 편향이 ΛCDM를 수정하지 않고도 허블 상수의 불일치를 해결할 수 있는지 테스트한다.
• AIC 및 χ² 지표를 사용하여 ΛCDM에 편향된 H₀가 포함된 모델과 확장된 ΛCDM 모델 간의 통계적 우수성을 비교한다.
• Pantheon+SH0ES 데이터를 사용하여 저 redshift에서의 물질 밀도 파라미터 ωₘ에 대한 새로운 제약 조건을 유도하고, 이 값이 다른 모델과 일치하는지 테스트한다.
• 대부분의 제안된 ΛCDM 확장 모델이 국소 데이터로부터 유도된 새로운 ωₘ 값과 통계적으로 호환되는지 평가한다.

제안 방법

• 허블 상수 불일치를 국소 거리 계단 측정에서의 잠재적 편향으로 간주하고, ΛCDM 프레임워크 내에서 노이즈 파라미터로 모델링한다.
• Akaike 정보 기준(AIC)과 Δχ²를 사용하여 ΛCDM에 H₀ 편향이 포함된 모델을 다양한 확장된 ΛCDM 모델들과 통계적으로 비교한다.
• Pantheon+SH0ES 초신성 데이터를 RSD 및 DES Y3 약한 렌즈 데이터와 융합하여 Ωₘ를 제약하고, ωₘ = Ωₘh²를 유도한다.
• 베이지안 추론을 적용하여 ΛCDM + H₀ 편향 모델 하에서 H₀ 및 Ωₘ의 사후 분포를 추정한다.
• 유도된 ωₘ 값이 거의 200개의 다른 ΛCDM 확장 모델에서 예측한 값들과 어떻게 비교되는지 분석한다.
• Schöneberg 등(2021)에서 사용한 동일한 통계 프레임워크(AIC 및 χ²)를 사용하여 일관된 모델 비교를 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세프라이드 거리 캘리브레이션의 시스템적 편향을 가정함으로써 ΛCDM를 수정하지 않고도 허블 긴장을 해결할 수 있는가?
• RQ2 AIC 및 χ² 지표를 사용할 때, 편향된 H₀를 포함한 ΛCDM의 통계적 적합도는 확장된 ΛCDM 모델들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 국소 측정(Pantheon+SH0ES)으로부터 유도된 물질 밀도 파라미터 ωₘ의 값은 얼마이며, 다른 모델에서 예측한 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 대부분의 제안된 ΛCDM 확장 모델은 국소 데이터로부터 유도된 새로운 ωₘ 추정치와 통계적으로 호환되는가?
• RQ5 국소 탐사자들(Pantheon+, RSD, DES Y3)의 조합은 Ωₘ 및 ωₘ에 대해 일관되고 정밀한 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 편향된 H₀ 측정값을 포함한 ΛCDM 모델은 ΔAIC 및 Δχ² 측정 기준으로 대부분의 제안된 ΛCDM 확장 모델보다 유의미하게 더 나은 적합도를 보인다.
• Pantheon+SH0ES, RSD 및 DES Y3 데이터의 통합 분석은 ωₘ = 0.1753 ± 0.0069를 도출하며, 이 값은 플랑크가 선호하는 ωₘ ≈ 0.14에서 4σ 이상 떨어져 있다.
• H₀ = 67 km/s/Mpc를 사용할 경우 유도된 ωₘ = 0.1447 ± 0.0058는 플랑크 값과 완전히 일치한다. 이는 SH0ES에서의 H₀ 값 73 km/s/Mpc가 편향이 존재하지 않는 한 플랑크 결과와 호환되지 않음을 시사한다.
• 문헌에 등재된 거의 200개의 확장된 ΛCDM 모델 대부분은 ωₘ ≈ 0.14를 예측하며, 이는 Pantheon+SH0ES 데이터로부터 유도된 ωₘ 값과 호환되지 않는다.
• AIC 기준으로 볼 때, ΛCDM에 H₀ 편향이 포함된 모델이 모든 이전에 제안된 확장 모델들보다 더 큰 개선을 보이며 통계적으로 더 선호됨이 확인되었다.
• 결과는 만약 천체물리학적 긴장이 ΛCDM를 초월한 물리학으로 해결된다면, 만능론적 팽창 역사가 ΛCDM의 예측인 w = -1와 크게 다를 수밖에 없다는 것을 시사한다.