[논문 리뷰] Dissecting the $H_0$ and $S_8$ tensions with Planck + BAO + supernova type Ia in multi-parameter cosmologies

Luis A. Anchordoqui, Eleonora Di Valentino외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 29.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 214인용 수 84

한 줄 요약

이 연구는 플랑크 CMB, BAO 및 초신성 유형 Ia 데이터를 사용하여, 초기 및 만기 시기의 수정을 동시에 적용한 우주론 모델이 H₀ 및 S₈ 갈등을 동시에 해결할 수 있는지 조사한다. 상호작용하는 어두운 에너지, 곡률이 있는 시공간, 그리고 초기 우주 수정을 포함한 24개의 다중 매개변수 모델을 검토한 결과, 표준 ΛCDM 프레임워크와의 불일치가 지속됨을 시사하는 바, 두 갈등을 동시에 해결할 수 있는 타당한 구성은 존재하지 않았다.

ABSTRACT

The mismatch between the locally measured expansion rate of the universe and the one inferred from observations of the cosmic microwave background (CMB) assuming the canonical $\Lambda$CDM model has become the new cornerstone of modern cosmology, and many new-physics set ups are rising to the challenge. Concomitant with the so-called $H_0$ problem, there is evidence of a growing tension between the CMB-preferred value and the local determination of the weighted amplitude of matter fluctuations $S_8$. It would be appealing and compelling if both the $H_0$ and $S_8$ tensions were resolved at once, but as yet none of the proposed new-physics models have done so to a satisfactory degree. Herein, we adopt a systematic approach to investigate the possible interconnection among the free parameters in several classes of models that typify the main theoretical frameworks tackling the tensions on the universe expansion rate and the clustering of matter. Our calculations are carried out using the publicly available Boltzmann solver CAMB in combination with the sampler CosmoMC. We show that even after combining the leading classes of models sampling modifications of both the early and late time universe a simultaneous solution to the $H_0$ and $S_8$ tensions remains elusive.

연구 동기 및 목표

• 초기 및 만기 시기의 우주론적 수정을 통합하여 ΛCDM 모델이 H₀ 및 S₈ 갈등을 동시에 해결할 수 있는지 평가하는 것.
• 상호작용 어두운 에너지 및 곡률이 있는 시공간을 포함한 초기 및 만기 시기 물리학의 24가지 조합을 체계적으로 탐색하는 것.
• 지역 H₀ 측정치와 CMB에서 유도된 값 간의 조율을 위해 ΛCDM의 다중 매개변수 확장의 타당성을 평가하는 것.
• 동시 갈등 해결을 방해할 수 있는 매개변수의 디제너러시 및 상관관계를 조사하는 것.
• 현재 관측 제약 조건 내에서 어떤 모델 유형도 두 갈등에 대해 통계적으로 일관된 해결책을 제공하는지 결정하는 것.

제안 방법

• 우주론적 관측량을 계산하고 매개변수 공간을 탐색하기 위해 볼츠만 해소도구 CAMB와 CosmoMC 샘플링 도구를 사용한다.
• 바리온 음향 진동(BOA) 및 초신성 유형 Ia(Pantheon) 데이터와 함께 플랑크 2018년 CMB 온도 및 편광 데이터를 조합한다.
• 초기 우주의 수정(예: 음속 변화, 초기 어두운 에너지)과 만기 시기의 수정(예: 상호작용 어두운 에너지, 곡률)을 포함한 24개의 모델 조합을 탐색한다.
• 우주론적 매개변수에 표준 사전 확률를 적용하고 베이지안 증거를 사용하여 모델의 타당성을 평가한다.
• 다차원 매개변수 공간에서 제약 조건과 갈등을 이해하기 위해 매개변수 상관관계 및 디제너러시를 분석한다.
• 매질의 밀도 파동의 진폭 갈등을 정량화하기 위해 S₈ = σ₈√Ωₘ/0.3 통계량을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ΛCDM 모델에 대한 초기 및 만기 시기 수정을 통합함으로써 H₀ 및 S₈ 갈등을 동시에 해결할 수 있는가?
• RQ2 초기 및 만기 시기 물리학의 어떤 조합이 두 갈등을 해결하기 위한 가장 타당한 매개변수 공간을 제공하는가?
• RQ3 매개변수의 디제너러시 및 상관관계는 두 갈등을 동시에 해결할 능력을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 상호작용 어두운 에너지 또는 곡률이 있는 시공간 모델은 단독 수정보다 더 일관된 해결책을 제공하는가?
• RQ5 플랑크, BAO 및 초신성 데이터에 대해 통계적으로 수용 가능한 적합도를 확보하면서도 두 갈등을 동시에 해결하는 다중 매개변수 모델이 존재하는가?

주요 결과

• 현재 관측 제약 조건 내에서, ΛCDM에 대한 초기 및 만기 시기 수정의 타당한 조합은 H₀ 및 S₈ 갈등을 동시에 해결하지 못한다.
• 상호작용 어두운 에너지 및 곡률이 있는 시공간을 포함한 24개의 모델 조합을 검토한 결과, 두 갈등을 동시에 일관되게 해결하는 모델은 존재하지 않는다.
• 지역 측정치와 CMB에서 유도된 값 간의 H₀ 갈등(4.2σ의 격리)과 BOSS+KV450 기반 S₈ 갈등(3.4σ)은 모든 테스트된 다중 매개변수 확장에서 여전히 해결되지 않았다.
• 매개변수 상관관계 및 디제너러시로 인해 두 관측량에 걸쳐 갈등을 효과적으로 상쇄시킬 수 없었다.
• H₀ 갈등을 완화하기 위해 음속 영역를 줄이는 모델는 S₈ 갈등을 악화시키고, 반대로 S₈ 갈등을 줄이기 위한 조치는 H₀ 갈등을 악화시키는 경향이 있었다.
• 연구는 두 갈등을 동시에 해결하는 것이 아직 이룰 수 없다고 결론 내리며, 이는 ΛCDM 프레임워크의 붕괴 또는 더 근본적인 물리학의 필요성을 시사한다.