[논문 리뷰] Reconciling the Tension Between Planck and BICEP2 Through Early Dark Energy

Lixin Xu, Baorong Chang외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 15.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초기 암흑 에너지—조밀한 우주에서 복사처럼 행동하는 성분—가 플랑크와 빙하2의 텐서-스칼라 비율 $r$ 측정치 간의 갈등을 해소할 수 있음을 제안한다. 초기 암흑 에너지에서 유래하는 효과적 중성미온 수를 도입함으로써, 재결합 시의 음속 영역이 감소하고 CMB 및 BAO 거리 우선정보가 조정되어 $r$-갈등이 2σ 수준에서 완화되며, 동시에 허블 상수 갈등도 해결된다.

ABSTRACT

We show the possibility that the observational results of the primordial gravitational waves from Planck and BICEP2 for the tensor-to-scalar ratio $r$ can be reconciled when an early dark energy was included. This early dark energy behaves like a radiation component at very early epoch. This is equivalent to induce additional number of effective neutrino species: $ΔN_{eff}=[\frac{7}{8}(\frac{4}{11})^{4/3}]^{-1}ρ_{de}(a)/ρ_γ(a)$, where $ρ_γ(a)$ is the photon energy density and the numerical factors arise from converting to effective neutrino species. And $ρ_{de}(a)$ is the energy density of early dark energy. Combining the Planck temperature data, the WMAP9 polarization data, and the baryon acoustic oscillation data with and without BICEP2 data, we find that in this early dark energy model the tension between the observations from Planck and BICEP2 was relived at $2σ$ regions. But it cannot be removed completely due to the small ratio of early dark energy constrained by the other cosmic observations. As a byproduct, the tension between observed values of Hubble parameter from Planck and the direct measurement of the Hubble constant was removed in this early dark energy model.

연구 동기 및 목표

• 플랑크의 $r < 0.11$ (95% 신뢰수준) 상한과 빙하2의 $r = 0.20^{+0.07}_{-0.05}$ 측정치 사이의 상당한 갈등을 해결하기 위해.
• 고적색변위에서 복사처럼 행동하는 초기 암흑 에너지가 이러한 상반된 관측치를 조율할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 모델이 플랑크에서 추정한 $H_0$와 직접 측정치 사이의 허블 상수 갈등을 동시에 완화할 수 있는지 평가하기 위해.
• 플랑크, WMAP9, BAO, 빙하2 데이터를 사용한 MCMC 분석을 통해 초기 암흑 에너지가 우주론적 파라미터에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 초기 시기에 복사처럼 행동하고 후기 시기에 암흑 에너지로 전이되는 형태의 파arameterized 에너지 밀도 $\rho_{de}(a)$를 사용하여 초기 암흑 에너지를 모델링함. 이 형태는 참조:edeDoran에서 유래함.
• 효과적 중성미온 수를 $\Delta N_{\text{eff}} \approx 4.4032 \cdot \Omega_{\text{de}}(a)/\Omega_{\gamma}(a)$를 통해 도입함. 여기서 $\Omega_{\text{de}}(a)$는 초기 암흑 에너지 밀도 비율임.
• 플랑크 온도, WMAP9 편광, BAO, 빙하2 B모드 데이터를 통합한 데이터 세트에 대해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 분석을 수행함.
• 표준 $\Lambda$CDM+$r$ 모델과의 비교를 통해 $r$ 및 $H_0$에 대한 제약 조건을 분석함.
• 수정된 $\Omega_{\text{de}}(a)$를 사용한 프리드만 방정식을 통해 상태방정식의 진화와 우주론적 거리에 미치는 영향을 계산함.
• 플랑크와 빙하2 간의 $r$에 대한 68% 및 95% 신뢰구간의 겹침을 평가하여 갈등 감소 정도를 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 암흑 에너지는 플랑크의 $r < 0.11$와 빙하2의 $r = 0.20^{+0.07}_{-0.05}$ 간의 갈등을 2σ 수준에서 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 초기 암흑 에너지의 포함이 재결합 시 추정된 음속 영역과 그로 인한 거리 우선정보에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 암흑 에너지 모델은 플랑크의 $H_0 \approx 71.7$ km/s/Mpc와 직접 측정치 $H_0 = 73.8 \pm 2.4$ km/s/Mpc 사이의 허블 상수 갈등을 해결하는가?
• RQ4 CMB 및 BAO와 같은 다른 우주론적 관측치와 일치하는 최대 허용 가능한 초기 암흑 에너지 비율은 얼마인가?
• RQ5 왜 이 모델이 갈등 감소 능력을 지녔음에도 불구하고 갈등이 완전히 제거되지 않는가?

주요 결과

• 초기 암흑 에너지의 포함으로 플랑크와 빙하2 간의 텐서-스칼라 비율 $r$에 대한 갈등이 MCMC 분 析에서 95% 신뢰구간이 겹치는 것으로 나타나 2σ 수준으로 감소함.
• 초기 암흑 에너지 모델에서 플랑크+W+BICEP2+BAO 데이터 세트의 최적 적합 $r$ 값은 $r = 0.152_{-0.041}^{+0.032}$이며, 이는 빙하2의 $r = 0.20^{+0.07}_{-0.05}$의 2σ 영역 내에 포함됨.
• 모델은 초기 암흑 에너지 비율을 $\Omega^{e}_{\text{de}} = 0.00495_{-0.00495}^{+0.00107}$로 제약함으로써 초기 시기에 작은 비율이지만 비영이 아닌 기여를 함을 시사함.
• 허블 상수 갈등은 해결됨: 모델은 플랑크+W+BAO 기반으로 $H_0 = 71.67_{-3.43}^{+2.58}$ km/s/Mpc를 산출하고, 빙하2를 포함하면 $H_0 = 71.38_{-3.38}^{+2.49}$ km/s/Mpc를 산출함. 이는 모두 직접 측정치인 $73.8 \pm 2.4$ km/s/Mpc와 일치함.
• 갈등이 완전히 제거되지 않는 이유는 다른 우주론적 관측치에 의해 초기 암흑 에너지 비율이 작게 제약되기 때문이며, 이는 $r$에 대한 영향을 제한함.
• 초기 암흑 에너지에서 기인하는 효과적 중성미온 수 기여는 $\Delta N_{\text{eff}} \approx 4.4032 \cdot \Omega_{\text{de}}(a)/\Omega_{\gamma}(a)$이며, 이는 복사 밀도를 수정함으로써 음속 영역과 거리 우선정보에 영향을 미침.