[논문 리뷰] Limits on Clustering and Smooth Quintessence from the EFTofLSS

Guido D’Amico, Yaniv Donath외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 14.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 55인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 BOSS, eBOSS, 6DF/MGS, Pantheon 초신성 및 Planck 데이터를 사용하여 대규모 구조의 효과적 장 이론(EFTofLSS)을 적용하여 군집화 및 매끄러운 퀸세시스 모델을 제약 조건으로 설정한다. 정확한 시간 의존성을 갖는 일계 순환 주기에서 적색편이 공간의 은하 스펙트럼을 계산함으로써, 군집화 퀸세시스의 경우 68% 신뢰수준에서 w = −1.011+0.053−0.048를 구하고, Planck 데이터와 조합한 결과 w = −1.028+0.037−0.030를 얻었으며, 이는 w ≈ −1인 우주론적 상수를 강력히 지지한다.

ABSTRACT

We apply the Effective Field Theory of Large-Scale Structure (EFTofLSS) to analyze cosmological models with clustering quintessence, which allows us to consistently describe the parameter region in which the quintessence equation of state $w < - 1$. First, we extend the description of biased tracers in redshift space to the presence of clustering quintessence, and compute the one-loop power spectrum. We solve the EFTofLSS equations using the exact time dependence, which is relevant to obtain unbiased constraints. Then, fitting the full shape of BOSS pre-reconstructed power spectrum measurements, the BOSS post-reconstruction BAO measurements, BAO measurements from 6DF/MGS and eBOSS, the Supernovae from Pantheon, and a prior from BBN, we bound the clustering quintessence equation of state parameter $w=-1.011_{-0.048}^{+0.053}$ at $68\%$ C.L.. Further combining with Planck, we obtain $w=-1.028_{-0.030}^{+0.037}$ at $68\%$ C.L.. We also obtain constraints on smooth quintessence, in the physical regime $w \geq -1$: combining all datasets, we get $-1\leq w < - 0.979$ at $68\%$ C.L.. These results strongly support a cosmological constant.

연구 동기 및 목표

• 군집화 퀸세시스에서 음의 상태방정식 w < −1을 允허하는 조건 하에서, 적색편이 공간의 비편향 추적자들을 포함한 EFTofLSS 프레임워크를 확장한다.
• 에드워즈-스테판스(EdS) 근사법을 피하기 위해 정확한 시간 의존성을 갖는 일계 순환 은하 스펙트럼을 계산한다.
• 다양한 천체물리적 데이터 세트를 통합하여 군집화 퀸세시스(w < −1)와 매끄러운 퀸세시스(w ≥ −1)의 상태방정식 매개변수 w를 제약 조건으로 설정한다.
• w ≠ −1인 모델이 BOSS 스펙트럼의 전체 형태와 BAO, 초신성 데이터를 포함한 대규모 구조 데이터를 잘 맞출 수 있는지 테스트한다.
• w에 대해 물리적으로 타당한 사전 확률을 적용하여, 다양한 데이터 세트를 조합함으로써 어두운 에너지에 대한 객관적이고 편향 없는 제약 조건을 제공한다.

제안 방법

• 스칼라 장의 음성 속도가 0에 수렴하는 조건(즉, cs² → 0)에서 군집화 퀸세시스를 고려하여 EFTofLSS 형식을 확장한다.
• 편미분 전개를 통해 적색편이 공간에서의 밀도(δh) 및 속도 수렴도(θh) 장을 유도하며, 비편향 연산자와 홀로 커널을 포함한다.
• 에드워즈-스테판스(EdS) 근사법을 피하기 위해 성장 인자 D+(a)의 정확한 시간 진화를 사용하여 일계 순환 적색편이 공간 은하 스펙트럼을 계산한다.
• EFTofLSS 형식에서 유도된 시간 의존 그린 함수와 커널 함수(예: cδ,1(a), G(a), cδ2,Gδ1(a))를 통합한다.
• BOSS DR12 재구성 이전의 전체 스펙트럼, 재구성 이후 BAO, 6DF/MGS, eBOSS 리아이언 라인, Pantheon 초신성 데이터를 사용한다.
• 매끄러운 퀸세시스의 경우 w ≥ −1에 대해 물리적 평탄한 사전 확률을 적용하고, Planck 2018 CMB 데이터를 사용하여 매개변수 공간을 추가로 제약 조건으로 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확한 시간 의존성을 갖는 조건에서 EFTofLSS 프레임워크가 군집화 퀸세시스(w < −1) 존재 하에 은하 스펙트럼의 전체 형태를 일관적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 BOSS, eBOSS, 초신성 및 CMB 데이터를 조합했을 때, 군집화 퀸세시스에서의 w 제약 조건은 매끄러운 퀸세시스와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 EFTofLSS 방정식에 정확한 시간 진화를 포함할 경우, 에드워즈-스테판스(EdS) 근사법에 비해 유의미하게 다를거나 더 정확한 제약 조건을 도출하는가?
• RQ4 물리적 사전 확률 w ≥ −1을 적용했을 때, wCDM 모델에서 w에 대한 가장 강력한 제약 조건은 무엇이며, 이는 우주론적 상수와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비환원성 및 환원성 어두운 에너지 모델의 맥락에서 EFTofLSS는 적색편이 공간의 왜곡과 비편향을 충분히 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 LSS와 초신성 데이터만을 사용하여 군집화 퀸세시스 상태방정식을 68% 신뢰수준에서 w = −1.011+0.053−0.048로 제약 조건으로 설정하였다.
• Planck 2018 CMB 데이터와 조합한 결과, 제약 조건은 68% C.L.에서 w = −1.028+0.037−0.030로 더욱 강화되었으며, 이는 w ≈ −1를 강력히 지지한다.
• 매끄러운 퀸세시스(w ≥ −1)의 경우, 통합된 데이터 세트로 −1 ≤ w < −0.979의 제약 조건이 68% C.L.에서 도출되었으며, w > −0.979는 배제된다.
• 분석 결과, EFTofLSS 방정식을 정확한 시간 의존성으로 풀 경우 정량적으로 중요하며, 에드워즈-스테판스(EdS) 근사법과 달리 편향 없는 제약 조건을 도출함을 보여준다.
• BOSS 스펙트럼의 전체 형태 분석에 BAO와 초신성 데이터를 조합함으로써, CMB에 의존하지 않는 w에 대한 강인한 제약 조건이 도출되었으며, 이는 우주론적 상수를 지지한다.
• 결과는 EFTofLSS 프레임워크가 정확한 시간 진화와 비편향 처리를 통해 비록 w < −1 영역이더라도 군집화 및 매끄러운 어두운 에너지 모델을 일관되게 기술할 수 있음을 보여준다.