[논문 리뷰] $Λ_{ m s}$CDM model: A promising scenario for alleviation of cosmological tensions

Özgür Akarsu, Eleonora Di Valentino외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 z_† ≈ 1.7–2에서 부호 전환하는 시점의 Λ_{ m s}CDM 모델을 분석하여, 이 모델이 Planck, BAOtr, PantheonPlus, SH0ES, KiDS-1000 데이터를 잘 적합시키면서 H0, MB, S8 긴장을 완화할 수 있음을 보이고 있습니다. 대부분의 데이터 조합에서 ΛCDM에 비해 이 모델에 대한 강한 베이지안 증거를 발견합니다.

ABSTRACT

We present a comprehensive analysis of the $Λ_{ m s}$CDM model, which explores the recent conjecture suggesting a rapid transition of the Universe from anti-de Sitter vacua to de Sitter vacua (viz., the cosmological constant switches sign from negative to positive) at redshift ${z_\dagger\sim 2}$, inspired by the graduated dark energy (gDE) model. Our analysis shows that, predicting $z_\dagger\approx1.7$, $Λ_{ m s}$CDM simultaneously addresses the major cosmological tensions of the standard $Λ$CDM model, viz., the Hubble constant $H_0$, the Type Ia Supernovae absolute magnitude $M_{ m B}$, and the growth parameter $S_8$ tensions, along with other less significant tensions such as the BAO Lyman-$α$ discrepancy.

연구 동기 및 목표

• ΛCDM에 대한 대안 필요성에 대한 동기가 커지는 우주론적 긴장을 설명합니다(예: H0, MB, S8 등).
• 늦은 시점 전환 z†~2를 갖는 부호 전환 우주상수 모델(ΛsCDM)을 소개하고 테스트합니다.
• 다양한 데이터 세트(Planck CMB, 2D BAO, PantheonPlus SNe, SH0ES, KiDS-1000)에 대해 모델을 평가하고 ΛCDM과 비교합니다.
• ΛsCDM에 대한 통계적 지지를 ΛCDM과의 베이지안 모델 비교를 통해 정량화합니다.

제안 방법

• Λ를 부호 전환 Λs로 대체하는 현상론적 모델로 정의하고 Λs ≡ Λs0 sgn[z†−z]로 기술합니다.
• 매개변수 공간: 기본 벡터 {ωb, ωc, θs, As, ns, τreio, z†}를 CLASS+MontePython으로 분석합니다.
• 데이터 조합: Planck, Planck+BAOtr, Planck+BAOtr+PP, Planck+BAOtr+PP&SH0ES, Planck+BAOtr+PP&SH0ES+KiDS-1000.
• 비선형 물질 파워 스펙트럼은 HMcode를 사용하되 후반부 H(z)의 변화를 반영합니다.
• ΛsCDM와 ΛCDM의 비교를 위해 MCEvidence를 이용한 베이지안 증거를 계산합니다(Trotta의 제프리스 척도).

Figure 1: 2D contours at 68% and 95% CLs in the $H_{0}$ - $\Omega_{\rm m}$ plane for the $\Lambda_{\rm s}$ CDM and $\Lambda$ CDM models from the Planck and/or BAOtr data. It deserves mention that, in case of $\Lambda_{\rm s}$ CDM, the Planck and BAOtr contours intersect right on the vertical band of

실험 결과

연구 질문

• RQ1 늦은 시점에서의 부호 전환 우주상수가 H0, MB, S8 긴장을 동시에 완화할 수 있는가?
• RQ2 Planck CMB 제약과 저적측 측정치를 2D BAO 데이터를 사용해 어떤 z†가 가장 잘 조정하는가?
• RQ3 PantheonPlus와 SH0ES priors가 ΛsCDM에서 선호되는 z†와 H0를 바꾸는가? Ly-α 및 다른 BAO 데이터와의 일관성은 유지되는가?
• RQ4 다양한 데이터 조합에서 ΛsCDM이 ΛCDM보다 통계적으로 선호되는가?
• RQ5 ΛsCDM은 재결합 이전의 표준 물리학과 BBN, Ly-α, 연대 제약과의 일관성을 유지하는가?

주요 결과

• Planck+BAOtr 조합에서 z† = 1.70^{+0.09}_{−0.19}, H0 = 73.3^{+1.2}_{−1.0} km/s/Mpc로 SH0ES 측정값과 일치합니다.
• PantheonPlus 데이터( SH0ES 프라이어 포함 여부에 관계없이 )는 z† ≈ 1.87^{+0.13}_{−0.21}, H0 ≈ 71.7 km/s/Mpc, MB가 SH0ES와 일치하여 MB 긴장을 해결합니다.
• ΛsCDM은 Planck와 KiDS-1000 간의 S8 값(대략 Planck 0.80–0.83 대 KiDS-1000의 0.746) 사이의 정합을 예측하여 이 모델에서 S8 긴장이 없음을 시사합니다.
• 모든 BAOtr를 포함한 모든 데이터 조합에서 ΛsCDM은 ΛCDM보다 더 잘 맞추며, 대부분의 경우 강한 또는 매우 강한 베이지안 증거를 제공합니다.
• 이 모델은 재결합 전 물리학(drag redshift, sound horizon, Yp, ωb)을 손상시키지 않으며, t0 ≈ 13.522 Gyr로 독립적인 추정치와 일치하는 연령을 제공합니다.

Figure 3: The mean values with 68% CL on $H_{0}$ for the $\Lambda_{\rm s}$ CDM and $\Lambda$ CDM models from various data combinations. The left vertical band stands for Planck- $\Lambda$ CDM constraint: $H_{0}=67.36\pm 0.54{\rm\,km\,s^{-1}\,Mpc^{-1}}$ , and the right one is for the latest SH0ES mea