[논문 리뷰] Constraints on dark energy and modified gravity from the BOSS Full-Shape and DESI BAO data

Petter Taule, Marco Marinucci외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 09. 13.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 효과적 장이론의 어두운 에너지(EFTofDE) 프레임워크 내에서 BOSS의 전체형상 은하 파wer 스펙트럼, DESI의 BAO 측정치, Planck CMB 자료를 사용하여 어두운 에너지와 수정 중력의 특성을 제약한다. CMB 자료는 주로 브레이딩 매개변수 αB를 제약하며, 대규모 구조 자료는 배경 정보를 통해 H₀와의 딜레마를 깨뜨림으로써 다크 에너지 상태방정식 w와 달라지는 플랑크 질량 매개변수 αM에 대한 제약을 두 배로 강화한다.

ABSTRACT

We constrain dark energy and modified gravity within the effective field theory of dark energy framework using the full-shape BOSS galaxy power spectrum, combined with Planck cosmic microwave background (CMB) data and recent baryon acoustic oscillations (BAO) measurements from DESI. Specifically, we focus on a varying braiding parameter $α_{ m B}$, a running of the ``effective'' Planck mass $α_{ m M}$, and a constant dark energy equation of state $w$. The analysis is performed with two of these parameters at a time, including all the other standard cosmological parameters and marginalizing over bias and nuisance parameters. The full-shape galaxy power spectrum is modeled using the effective field theory of large-scale structure up to 1-loop order in perturbation theory. We find that the CMB data is most sensitive to $α_{ m B}$, and that adding large-scale structure information only slightly changes the parameter constraints. However, the large-scale structure data significantly improve the bounds on $α_{ m M}$ and $w$ by a factor of two. This improvement is driven by background information contained in the BAO, which breaks the degeneracy with $H_0$ in the CMB. We confirm this by comparing the BOSS full-shape information with BOSS BAO, finding no significant differences. This is likely to change with future high-precision full-shape data from Euclid and DESI however, to which the pipeline developed here is immediately applicable.

연구 동기 및 목표

• 최신 천문학적 데이터셋을 활용하여 ΛCDM 모델을 초월한 어두운 에너지의 성격을 테스트한다.
• 모델 독립적인 효과적 장 이론의 어두운 에너지(EFTofDE) 프레임워크를 사용하여 이론적 편향을 줄인다.
• 전체형상 은하 파워 스펙트럼, BAO, CMB 자료를 융합하여 EFTofDE의 핵심 매개변수인 브레이딩 αB, 달라지는 플랑크 질량 αM, 어두운 에너지 상태방정식 w의 제약을 향상시킨다.
• 다양한 자료(정도, BAO, 전체형상)가 각기 다른 EFTofDE 매개변수에 얼마나 민감한지 평가하고, 비선형 구조 형성의 영향을 정량화한다.
• 향후 고정밀도 설문조사인 Euclid와 DESI에 적용 가능한 견고하고 확장 가능한 분석 파이프라인을 개발한다.

제안 방법

• 경계가 약간 비선형적인 스케일까지 1-루프 은하 파워 스펙트럼을 모델링하기 위해 효과적 장 이론의 대규모 구조(EFTofLSS)를 사용한다.
• EFTofDE 매개변수화에 따라 수정된 클러스터링 역학을 포함하는 전체형상 파워 스펙트럼을 계산하기 위해 PyBird 코드의 수정 버전을 사용한다.
• 선형 및 1-루프 수준에서 EFTofDE의 변동과 비례를 일관되게 처리하는 수정된 hi class 코드를 사용하여 Planck CMB 이질성 자료를 통합한다.
• EFTofDE 계수 αB, αM, w에 시간에 따라 변하는 매개변수화를 구현하며, αM은 명시적으로 배경 진화에 영향을 준다.
• GetDist 패키지를 사용하여 베이지안 추론을 수행하고, 부수적 매개변수와 은하 비율을 적분하며, P18 CMB, BOSS 전체형상, DESI BAO 자료를 포함한다.
• 대규모 구조 관측량에 미치는 영향이 미미하므로 탄성 속도 초과 매개변수 αT를 0으로 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BOSS의 전체형상 은하 파워 스펙트럼 자료는 CMB만 사용할 때와 비교해 EFTofDE 매개변수에 어떤 식으로 제약을 강화하는가?
• RQ2 CMB, BAO, 전체형상 자료가 브레이딩 매개변수 αB, 달라지는 플랑크 질량 αM, 어두운 에너지 상태방정식 w에 대해 각기 얼마나 민감한가?
• RQ3 은하 파워 스펙트럼의 비선형 효과가 매개변수 제약에 어떤 영향을 미치며, BAO만 사용한 제약과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ4 대규모 구조 자료의 포함이 CMB만 사용한 분석에서 존재하는 H₀와 αM 간의 딜레마를 어떻게 깰 수 있는가?
• RQ5 향후 Euclid와 DESI의 고정밀도 전체형상 자료는 αM과 w의 제약에 어떤 영향을 미칠 것이며, 현재의 파이프라인은 이러한 자료를 처리할 준비가 되어 있는가?

주요 결과

• CMB 자료만으로도 브레이딩 매개변수 αB에 가장 민감하며, Planck는 γB ≡ αB(a₀)를 68% 신뢰구간 내 ±0.083 범위로 제약한다. LSS 자료를 추가해도 이 사후확률은 거의 변화하지 않는다.
• BOSS 전체형상 파워 스펙트럼을 추가함으로써 오늘날의 달라지는 플랑크 질량 값 γM ≡ αM(a₀)에 대한 제약이 Planck만 사용했을 때의 γM < 1.83에서 γM < 0.964로 강화된다.
• αM 및 w에 대한 제약이 두 배로 향상되는 것은 주로 BAO 측정치의 배경 정보 덕분이며, 이는 CMB만 사용했을 때 존재하는 H₀와 αM 간의 딜레마를 깨뜨린다.
• BOSS의 전체형상과 BAO만 사용한 제약를 비교한 결과 유의미한 차이가 없으며, 이는 현재 정밀도 수준에서 파wer 스펙트럼의 비선형성이 매개변수 범위에 미치는 영향이 미미하다는 것을 시사한다.
• 탄성 속도 초과 매개변수 αT는 대규모 구조 관측량에 거의 영향을 주지 않으며, 따라서 분석에서 0으로 설정된다.
• 개발된 분석 파이프라인은 향후 Euclid와 DESI의 고정밀도 전체형상 자료를 완전히 준비해 놓고 있으며, 비선형 효과가 제약 능력을 크게 향상시킬 것으로 예상된다.