[논문 리뷰] EMPRESS. VIII. A New Determination of Primordial He Abundance with Extremely Metal-Poor Galaxies: A Suggestion of the Lepton Asymmetry and Implications for the Hubble Tension

Akinori Matsumoto, Masami Ouchi외 43명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 17.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 59개의 극도로 금속 농도가 낮은 은하(EMPGs)를 포함하여, 초기 헬륨 농도($Y_{\mathrm{P}} = 0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$)의 새로운 결정을 제시한다. 이 중 8개의 은하는 태양 금속 농도의 $12\text{C}/\text{16O} < 0.1$을 기록한다. $Y_{\mathrm{P}}$를 탈리움 측정치와 결합하고 전자 뉴트리노 비대칭도($\xi_e$)를 고려함으로써, 비영인 $\xi_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$와 $N_{\mathrm{eff}} \approx 3.11$을 제안하며, 추가 방사선과 렙톤 비대칭도를 통해 허블 긴장 문제를 해결할 수 있는 잠재적 길을 제시한다.

ABSTRACT

The primordial He abundance $Y_\mathrm{P}$ is a powerful probe of cosmology. Currently, $Y_\mathrm{P}$ is best determined by observations of metal-poor galaxies, while there are only a few known local extremely metal-poor ($&lt;0.1 Z_\odot$) galaxies (EMPGs) having reliable He/H measurements with HeI$λ$10830 near-infrared (NIR) emission. Here we present deep Subaru NIR spectroscopy for 10 EMPGs. Combining the existing optical data, He/H values of 5 out of the 10 EMPGs are reliably derived by the Markov chain Monte Carlo algorithm. Adding the existing 3 EMPGs and 51 moderately metal-poor ($0.1-0.4 Z_\odot$) galaxies with reliable He/H estimates, we obtain $Y_\mathrm{P}=0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$ by linear regression in the $\mathrm{(He/H)}-\mathrm{(O/H)}$ plane, where we increase the number of EMPGs from 3 to 8 anchoring He/H of the most metal-poor gas in galaxies. Although our $Y_\mathrm{P}$ measurement and previous measurements are consistent, our result is slightly ($\sim 1σ$) smaller due to our EMPGs. With our $Y_\mathrm{P}$ and the existing primordial deuterium $D_\mathrm{P}$ measurement, we constrain the effective number of neutrino species $N_\mathrm{eff}$ and the baryon-to-photon ratio $η$ showing $\gtrsim 1-2σ$ tensions with the Standard Model and Planck Collaboration et al. (2020). Motivated by the tensions, we allow the degeneracy parameter of electron-neutrino $ξ_e$ to vary as well as $N_\mathrm{eff}$ and $η$. We obtain $ξ_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$, $N_\mathrm{eff}=3.11^{+0.34}_{-0.31}$, and $η imes10^{10}=6.08^{+0.06}_{-0.06}$ from the $Y_\mathrm{P}$ and $D_\mathrm{P}$ measurements with a prior of $η$ taken from Planck Collaboration et al. (2020). Our constraints suggest a lepton asymmetry and allow for a high value of $N_\mathrm{eff}$ within the $1σ$ level, which could mitigate the Hubble tension.

연구 동기 및 목표

• 더 큰 샘플의 극도로 금속 농도가 낮은 은하(EMPGs)를 활용하여 초기 헬륨 농도($Y_{\mathrm{P}}$) 결정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• $Y_{\mathrm{P}}$가 우주 마이크파온도장(CMB)과 대폭초합성(BBN) 예측과 일치하는지 테스트하기 위해.
• 비영인 전자 뉴트리노 비대칭도 파ram터($\xi_e$)의 가능성과 $N_{\mathrm{eff}}$에 대한 영향을 조사하기 위해.
• 비영인 $\xi_e$와 상승한 $N_{\mathrm{eff}}$가 BBN 제약 조건을 위반하지 않으면서도 허블 긴장을 완화시킬 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• Subaru/MOIRCS, IRCS, SWIMS를 사용하여 11개의 EMPG에서 He i $\lambda$ 10830 선을 근적외선(NIR) 스펙트로스코피로 관측하였다. 이 은하들은 태양 금속 농도의 $12\text{C}/\text{16O} < 0.1$을 기록한다.
• 신뢰할 수 있는 이온화 물리 조건을 확보하기 위해 강한 외부 유동을 보인 한 은하를 제외하였다.
• 관측된 선 밀도에서 최적의 물리적 파라미터를 유도하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 기법을 사용하였다.
• 새로운 $Y_{\mathrm{P}}$를 Cooke 등(2018)의 수소 대 대어리움 비율($D_{\mathrm{P}}$)과 결합하여 동시 제약 조건을 도출하였다.
• BBN 제약 조건을 고려하여 $N_{\mathrm{eff}}$ 및 $\eta$ 제약 조건에서 비영인 전자 뉴트리노 비대칭도 파라미터($\xi_e$)를 允허하였다.
• 다양한 가정 하에 $N_{\mathrm{eff}}$, $\eta$, $\xi_e$의 최적 값은 $\chi^2$ 최소화 기법을 적용하여 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 59개의 극도로 금속 농도가 낮은 은하 샘플을 사용하여, 가장 정밀한 초기 헬륨 농도($Y_{\mathrm{P}}$) 결정은 무엇인가?
• RQ2 Cooke 등(2018)의 $D_{\mathrm{P}}$와 결합했을 때, 측정된 $Y_{\mathrm{P}}$ 값이 표준 모델의 $N_{\mathrm{eff}} = 3.046$ 예측과 긴장이 있는가?
• RQ3 비영인 전자 뉴트리노 비대칭도 파라미터($\xi_e$)가 예상보다 높은 $N_{\mathrm{eff}}$ 값을 설명할 수 있는가?
• RQ4 관측된 $N_{\mathrm{eff}}$ 값은 Planck CMB 측정치의 핵종 대 광자 비율($\eta$)과 일치하는가?
• RQ5 렙톤 비대칭도와 추가 방사선의 조합이 BBN 제약 조건을 위반하지 않으면서도 허블 긴장을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 산소 농도에 대한 $Y_{\mathrm{P}}$의 선형 회귀는 $Y_{\mathrm{P}} = 0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$을 도출하였으며, 이는 CMB에서 유도된 값과 일치한다.
• Cooke 등(2018)의 $D_{\mathrm{P}}$를 사용하여 동시 제약 조건을 도출한 결과, $N_{\mathrm{eff}} = 2.37^{+0.19}_{-0.24}$를 얻었으며, 이는 표준 모델의 3.046 값과 $\gtrsim 2\sigma$ 수준의 긴장이 있음을 시사한다.
• 비영인 $\xi_e$를 允허한 결과, 최적의 파라미터는 $\xi_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$, $N_{\mathrm{eff}} = 3.11^{+0.34}_{-0.31}$, $\eta \times 10^{10} = 6.08^{+0.06}_{-0.06}$로 도출되었으며, 이는 Planck 측정치와 일치한다.
• $N_{\mathrm{eff}}$의 $1\sigma$ 상한선은 3.45에 도달하여, 추가 방사선을 통한 허블 긴장 문제 해결 가능성을 시사한다.
• 결과는 BBN 제약 조건을 위반하지 않으면서도 $N_{\mathrm{eff}}$를 증가시키는 데 기여할 수 있는 가능성이 있는 전자 뉴트리노 비대칭도($\xi_e \sim 0.05$)를 시사한다.
• 이 연구는 $Y_{\mathrm{P}}$ 결정에 사용된 신뢰할 수 있는 EMPG의 수를 3개에서 8개로 증가시켜 통계적 탄탄함을 향상시켰다.