[논문 리뷰] Dark Energy at early times and ACT: a larger Hubble constant without late-time priors

Vivian Poulin, Tristan L. Smith외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 81인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 Atacama Cosmology Telescope (ACT) 데이터만으로도 BAO 및 Pantheon 초신성 데이터와 조합할 경우, 조기 어둠료 에너지(Early Dark Energy, EDE) 모형—특히 축상 EDE(axesEDE) 및 비선형 EDE(NEDE)—를 >2σ의 유의수준에서 지지함을 보여준다. 이는 후기 시기 $H_0$ 사전확률에 의존하지 않고도 지역 측정치와 일치하는 $H_0 \sim 70{-}74$ km/s/Mpc를 도출하며, Planck 데이터를 배제했을 때 EDE 모형에서 허블 장애를 해결함을 시사한다. 반면 Planck + ACT 데이터는 EDE를 더 엄격히 제약하며, 모형에 따라 다른 긴장이 드러나며, 이는 고다중수($\ell$) CMB 측정이 EDE 시나리오를 구분하는 데 중요함을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper we fit two models of Early Dark Energy (EDE) (an increase in the expansion rate before recombination) to the combination of Atacama Cosmology Telescope (ACT) measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB) with data from either the WMAP or the Planck satellite, along with measurements of the baryon acoustic oscillations and uncalibrated supernovae luminosity distance. We study a phenomenological axion-like potential ('axEDE') and a scalar field experiencing a first-order phase-transition ('NEDE'). We find that for both models the 'Planck-free' analysis yields non-zero EDE at > 2 sigma and an increased value for $H_0 \sim 70-74$ km/s/Mpc, compatible with local measurements, without the inclusion of any prior on $H_0$. On the other hand, the inclusion of Planck data restricts the EDE contribution to an upper-limit only at 95% C.L. For axEDE, the combination of Planck and ACT leads to constraints 30% weaker than with Planck alone, and there is no residual Hubble tension. On the other hand, NEDE is more strongly constrained in a Planck+ACT analysis, and the Hubble tension remains at $\sim 3σ$, illustrating the ability for CMB data to distinguish between EDE models. We explore the apparent inconsistency between the Planck and ACT data and find that it comes (mostly) from a slight tension between the temperature power spectrum at multipoles around $\sim 1000$ and $\sim 1500$. Finally, through a mock analysis of ACT data, we demonstrate that the preference for EDE is not driven by a lack of information at high-$\ell$ when removing Planck data, and that a LCDM fit to the fiducial EDE cosmology results in a significant bias on $\{H_0,ω_{ m cdm}\}$. More accurate measurements of the TT power spectra above $\ell\sim 2500$ and EE between $\ell \sim 300-500$ will play a crucial role in differentiating EDE models.

연구 동기 및 목표

• ACT CMB 데이터만으로도 후기 시기 $H_0$ 사전확률에 의존하지 않고 조기 어둠료 에너지(Early Dark Energy, EDE) 모형을 지지할 수 있는지 테스트하는 것.
• ACT 데이터에 대규모 CMB, BAO, Pantheon 초신성 휘도 거리 데이터를 조합했을 때 EDE 모형이 허블 장애를 어떻게 해결할 수 있는지 조사하는 것.
• ACT + WMAP/Planck 데이터로부터의 EDE 제약를 Planck 단독 데이터의 제약와 비교하여, 데이터 조합이 EDE 탐지 및 허블 장애에 미치는 영향을 평가하는 것.
• ACT와 Planck CMB 전력 스펙트럼 간의 긴장을 유발하는 원인을 특정 다중수($\ell \sim 1000$ 및 $\ell \sim 1500$)에서 규명하는 것.
• Planck 데이터를 제거했을 때 발생하는 기울기 또는 정보 손실이 아니라, ACT 데이터에서 EDE에 대한 선호도가 실제로 존재하는지 여부를 몽키 데이터 분석을 통해 평가하는 것.

제안 방법

• ACT 데이터에 WMAP 또는 Planck CMB 데이터, BAO, Pantheon 초신성 휘도 거리 데이터를 조합하여 축상 EDE(현상학적 축상 유사 잠재에너지) 및 NEDE(1차 상전이가 있는 스칼라 장) 모형을 피팅하는 것.
• ACT의 우도 코드와 Planck/WMAP CMB 전력 스펙트럼(렌즈 재구성 포함)을 사용한 우도 분석을 통해 천체물리 모수를 제약하는 것.
• Planck 데이터를 제거했을 때 고다중수에서의 정보 손실이 EDE 선호도에 기여하는지 확인하기 위해 ACT에 대한 몽키 데이터 분석을 수행하는 것.
• 기본 EDE 우주론 모형에 대해 $\Lambda$CDM 피팅을 수행하여, EDE를 忽시했을 때 $H_0$ 및 $\Omega_{\rm cdm}$에 미치는 편향을 정량화하는 것.
• 특정 다중수에서 온도(TT) 및 편광(EE) 스펙트럼의 기여를 분리하여 ACT와 Planck CMB 전력 스펙트럼 간의 긴장을 분석하는 것.
• 향후 CMB 설문조사(예: Simons Observatory, CMB-S4)의 영향을 평가하기 위해, 향후 EDE 모형을 구분하는 데 있어 고-$\ell$ TT 및 EE 측정의 중요성을 추정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ACT CMB 데이터만으로도 후기 시기 $H_0$ 사전확률에 의존하지 않고 조기 어둠료 에너지(Early Dark Energy, EDE)를 지지할 수 있는가?
• RQ2 ACT와 WMAP를 조합했을 때와 Planck를 조합했을 때 EDE에 대한 제약는 어떻게 다를까?
• RQ3 Planck 데이터를 포함했을 때 axEDE에서는 EDE 신호가 억제되는 반면 NEDE에서는 그렇지 않은 이유는 무엇이며, 이는 모형 간의 식별 가능성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 ACT와 Planck CMB 전력 스펙트럼 간의 긴장은 특히 $\ell \sim 1000$ 및 $\ell \sim 1500$에서 기인하는 원인은 무엇인가?
• RQ5 ACT 데이터에서 EDE에 대한 선호도가 Planck 데이터 제거 시 발생하는 기울기 또는 정보 손실의 산물인지, 아니면 강력한 신호인가?

주요 결과

• ACT 데이터에 WMAP, BAO, Pantheon 초신성 데이터를 조합한 결과, 축상 EDE 및 NEDE 양 모형에서 $\gtrsim 2\sigma$ 이상의 비영 제로 EDE 신호를 관측하였으며, $H_0$ 사전확률 없이도 성립한다.
• 이로 인한 $H_0 \sim 70{-}74$ km/s/Mpc는 지역 측정치인 SH0ES와 일치하며, 후기 시기 사전확률 없이도 허블 장애를 해결함을 시사한다.
• Planck + ACT 데이터는 EDE에 대해 95% 신뢰수준에서 상한선만 제약하며, $f_{\rm axEDE}(z_c) < 0.110$로, Planck 단독 데이터의 제약보다 약하다.
• axEDE의 경우, Planck + ACT 제약는 Planck 단독 데이터보다 약 30% 약해지며, 잔류 허블 장애는 존재하지 않는다.
• NEDE의 경우, Planck + ACT 분석에서 허블 장애는 약 $\sim 3\sigma$로 지속되며, 이는 CMB 데이터가 EDE 모형 간을 식별할 수 있음을 보여준다.
• ACT와 Planck CMB 스펙트럼 간의 긴장은 주로 $\ell \sim 1000$ 및 $\ell \sim 1500$에서 온도 전력 스펙트럼의 약간의 불일치에서 기인한다.
• 몽키 데이터 분석 결과, ACT에서 EDE에 대한 선호도가 기울기나 정보 손실의 산물이 아니며, 기초 EDE 모형에 대해 $\Lambda$CDM를 피팅할 경우 $H_0$ 및 $\Omega_{\rm cdm}$에 심각한 편향이 발생함을 확인하였다.
• 향후 CMB 설문조사에서 EDE 모형을 식별하기 위해 $\ell \sim 2500$ 이상의 TT 고정밀 측정과 $\ell \sim 300-500$ 사이의 EE 측정이 핵심이 될 것이다.