[논문 리뷰] Evidence for suppression of structure growth in the concordance cosmological model

Nhat-Minh Nguyen, Dragan Huterer외 1명|PubMed|2023. 02. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 97인용 수 9

한 줄 요약

본 논문은 Planck CMB와 대규모 구조 데이터를 사용하여 GR 기반의 평평한 ΛCDM 예측에 비해 우주 구조의 성장 속도가 억제된다는 증거를 제시하며, 성장 지수 γ가 더 큰 값으로 정량화된다.

ABSTRACT

We present evidence for a suppressed growth rate of large-scale structure during the dark-energy-dominated era. Modeling the growth rate of perturbations with the "growth index" γ, we find that current cosmological data strongly prefer a higher growth index than the value γ=0.55 predicted by general relativity in a flat Lambda cold dark matter cosmology. Both the cosmic microwave background data from Planck and the large-scale structure data from weak lensing, galaxy clustering, and cosmic velocities separately favor growth suppression. When combined, they yield γ=0.633_{-0.024}^{+0.025}, excluding γ=0.55 at a statistical significance of 3.7σ. The combination of fσ_{8} and Planck measurements prefers an even higher growth index of γ=0.639_{-0.025}^{+0.024}, corresponding to a 4.2σ tension with the concordance model. In Planck data, the suppressed growth rate offsets the preference for nonzero curvature and fits the data equally well as the latter model. A higher γ leads to a higher matter fluctuation amplitude S_{8} inferred from galaxy clustering and weak lensing measurements, and a lower S_{8} from Planck data, effectively resolving the S_{8} tension.

연구 동기 및 목표

• Flat ΛCDM 우주에서 구조 성장의 변화가 GR과 다른지 여부를 동기화하고 테스트한다.
• 성장을 정량화하기 위해 f(a) = Ωm(a)^γ의 성장-지수 매개변수를 도입하고 활용한다.
• Planck CMB 데이터와 대규모 구조 데이터를 결합하여 γ 및 관련 매개변수를 제약한다.
• Planck 및 LSS 데이터에서 관측된 S8 및 ΩK의 긴장을 상쇄하는지 확인하기 위해 더 큰 γ를 허용한다.

제안 방법

• 성장을 f(a) = Ωm(a)^γ 및 Eq. (3)에서의 D(γ,a)로 매개변수화한다.
• 선형 물질 파워 스펙트럼을 P(γ,k,a) = P_today(k,a=1) D^2(γ,a)로 모델링한다.
• γ를 구현하고 γ=0.55일 때의 표준 출력을 재현하도록 CAMB를 수정한다.
• cobaya와 사전정보 γ ~ U(0,2)로 MCMC를 사용해 γ 및 표준 우주론 매개변수를 제약한다.
• 데이터 세트: fσ8 측정, Planck 2018(PL18), DESY1, BAO를 사용; fσ8+PL18, fσ8+DESY1+BAO, 그리고 전체를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 γ가 허용될 때 GR 예측과 달리 flat ΛCDM에서 구조 성장 속도가 차이 있는가?
• RQ2 γ가 더 크면 Planck과 저적색편의 LSS 데이터 간의 S8 및 ΩK 긴장을 해소할 수 있는가?
• RQ3 다른 데이터 조합(Planck, DES, BAO, fσ8)이 γ 및 관련 매개변수를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 γ = 0.55의 어떤 차이가 있는지의 통계적 유의성은 어느 정도인가?

주요 결과

Data	γ	S8	H0 [kms^{-1} Mpc^{-1}]	|log10 BF_{10}|	Δχ^2_{γ} - χ^2_{γ=0.55}
PL18	0.668^{+0.068}_{-0.067}	0.807^{+0.019}_{-0.019}	68.1^{+0.7}_{-0.7}	0.4	-2.8
PL18 + fσ8	0.639^{+0.024}_{-0.025}	0.814^{+0.011}_{-0.011}	67.9^{+0.5}_{-0.5}	1.7	-13.6
PL18 + fσ8 + DESY1 + BAO	0.633^{+0.025}_{-0.024}	0.802^{+0.008}_{-0.008}	68.4^{+0.4}_{-0.4}	1.2	-13.2
PL18 + fσ8 + DESY1 + BAO (flat ΛCDM+GR)	0.55	0.803^{+0.008}_{-0.008}	68.5^{+0.4}_{-0.4}	-	-

• 결합 데이터가 γ > 0.55를 선호하여 GR 대비 성장 억제가 평평한 ΛCDM에서 나타난다.
• fσ8 + PL18에서 γ = 0.639^{+0.024}_{-0.025} (0.55의 4.2σ 배제).
• 모든 데이터(fσ8+PL18+DESY1+BAO)에서 γ = 0.633^{+0.025}_{-0.024} (0.55의 3.7σ 배제).
• γ>0.55를 포함하면 Planck와 LSS의 S8 추정치를 서로 더 가깝게 하는 방향으로 S8 긴장을 해소하는 데 도움을 준다(DES+BAO가 γ>0.55일 때 더 높은 S8를 선호하고 Planck은 더 낮은 S8를 선호).
• 곡률을 가변으로 두면 γ와의 축이 존재하는데 PL18 데이터는 ΩK < 0 또는 γ > 0.55 중 어느 쪽이더라도 비슷한 적합도를 보인다.
• 성장 억제 해석은 CMB 분석에서 A_lens 및 음의 곡률 효과를 모방할 수 있다.