[논문 리뷰] Extended reionization in models beyond $Λ$CDM with Planck 2018 data

D. Paoletti, Dhiraj Kumar Hazra외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 25.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Planck 2018 CMB 이질도 데이터를 사용하여 다각도로 재이온화 역사를 업데이트하며, 조각별 입방 허미트 보간법을 사용하는 민감한 Poly-reion 모델을 적용하여 이온화 분율의 진화를 모델링한다. 분석 결과 재이온화 기간이 감소한 것으로 나타났으며(Δz^Reion = 4.59_{-2.45}^{+1.67}), 초기 시작이 크게 불리한 것으로 평가되었고(z_xe=0 = 18.18_{-10.89}^{+1.61}), ΛCDM를 초월하는 파rameter들과의 혼동도 크게 감소하였다. 이는 저다중도 E-mode 편광 측정 향상 덕분이었다.

ABSTRACT

We provide an update on the constraints on extended reionization histories with the Planck 2018 cosmic microwave background anisotropy data. The Planck 2018 data on large angular scales improve the measurement of the $E$-mode polarization reionization bump at low multipoles providing the possibility to improve our previous results. Using a minor modification to the original Poly-reion model for the reionization history, we find that the Planck 2018 data significantly improve all our previous results: we find as optical depth of $τ=0.0572_{-0.0075}^{+0.0064}$ at 68% CL, that early onsets of reionization are strongly disfavoured, i.e. redshift when the reionization begins, $z_{xe=0}=18.18_{-10.89}^{+1.61}$ at 68% CL,and that reionization duration (defined between 10% and 99% reionization) is significantly reduced, i.e. $Δ_z^{Reion}=4.59_{-2.45}^{+1.67}$ at 68% CL. We explore possible correlations between reionization histories and cosmological parameters, including important extensions beyond $Λ$CDM. We find that the degeneracy between reionization and scalar spectral index,neutrino mass sum, spatial curvature, dark matter annihilation and other non-standard models are significantly reduced.The reduction of the error bars and the degeneracies, together with the shift towards lower values of the optical depth that we observe in the Poly-reion model are mainly driven by the new low-$\ell$ polarization likelihood of Planck 2018 baseline based on the HFI data. This is confirmed also by the results derived without this likelihood and the ones with different alternatives to the baseline that are presented for a subset of models.

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 Planck 2018 CMB 데이터를 활용하여 표준 ΛCDM 모델을 초월한 다각도 재이온화 역사에 대한 제약 조건을 향상시키는 것.
• 최근 저다중도 E-mode 편광 가능성의 포함이 재이온화 파rameter의 불확실성과 혼동도에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 재이온화 모델링의 유연성과 뉴트리노 질량, 공간 곡률, 암흑물질 붕괴, 초기 우주 스칼라 모드 등과의 혼동도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 다양한 가능성 조합(예: 보조 HFI 및 LFI 편광 데이터 포함)에 대해 결과의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• Poly-reion 모델은 조각별 입방 허미트 보간 다항식(PCHIP)을 사용하여 이온화 분율 x_e(z)를 네 개의 적색편이 노드로 모델링하며, z=0과 z=5.5에서 고정된 노드와 z_int 및 z_xe=0에서의 자유로운 노드를 포함한다.
• 모델은 중간 노드에서 이온화 분율의 진폭과 적색편이를 자유롭게 변형시켜 표준 탄젠트 함수 모델보다 더 민감한 재이온화 역사 재구성 가능하다.
• 제약 조건은 Planck 2018 기본 가능성, 특히 HFI 데이터로부터 유도된 새로운 저다중도 편광 가능성 포함하여 유도되며, LFI의 (T,Q,U) 공동 가능성과 같은 대체 가능성과 비교된다.
• 재이온화 파ram터와 ΛCDM의 확장(뉴트리노 질량 합, 공간 곡률, 암흑물질 붕괴, 렌즈링 강도 A_L, 초기 우주 스칼라 기여 등) 간의 혼동도 분석이 수행된다.
• 결과의 강인성을 검증하기 위해 SROLL2 맵 메이킹 알고리즘을 사용해 재처리된 HFI 데이터 결과도 포함된다.
• 통계적 추론은 마르코프 체인 몬테카를로 방법을 사용하여 68% 신뢰수준의 사후 분포 및 신뢰구간을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Planck 2018 데이터를 사용하여 Poly-reion 모델을 적용했을 때, 광학적 깊이 τ와 재이온화 기간 Δz^Reion의 업데이트된 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 HFI 데이터로부터 유도된 새로운 저다중도 E-mode 편광 가능성의 포함이 재이온화 파aram터의 정밀도와 혼동도의 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 확장된 우주론 모델(예: 뉴트리노 질량 변화, 공간 곡률, 암흑물질 붕괴 등)이 유추된 재이온화 역사와 그 불확실성에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 Optical depth와 재이온화 시기 측면에서, Poly-reion 모델의 결과가 표준 탄젠트 함수 모델과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 다른 가능성들(예: LFI 또는 재처리된 HFI)이 재이온화 제약 조건의 강인성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 68% 신뢰수준에서 광학적 깊이 τ는 0.0572_{-0.0075}^{+0.0064}로 제약되며, 표준 탄젠트 함수 모델과 일치하지만 정밀도가 향상되었다.
• 10%에서 99% 이온화 사이의 재이온화 기간은 68% 신뢰수준에서 크게 감소한 Δz^Reion = 4.59_{-2.45}^{+1.67}로 추정되었다.
• 재이온화의 초기 시작은 강하게 불리한 것으로 평가되었으며, 재이온화가 시작되는 적색편이 z_xe=0은 68% 신뢰수준에서 18.18_{-10.89}^{+1.61}로 제약되었다.
• 저다중도 편광 데이터 향상 덕분에 재이온화 파aram터와 ΛCDM를 초월하는 파aram터들—특히 뉴트리노 질량 합, 공간 곡률, 초기 스칼라 모드와의 혼동도가 크게 감소하였다.
• Planck 2018 HFI 데이터로부터 유도된 새로운 저다중도 E-mode 편광 가능성은 개선된 제약 조건과 줄어든 오차 범위의 주요 원인이다.
• Poly-reion 모델은 확장된 모델에서 낮은 광학적 깊이 쪽으로의 당김을 줄이며, 렌즈링 강도와 공간 곡률 추정치를 ΛCDM 값에 더 가깝게 이동시켰다. 다만 A_L과 공간 곡률과의 잔류 혼동도는 여전히 존재한다.