[논문 리뷰] Review of Hubble tension solutions with new SH0ES and SPT-3G data

A. R. Khalife, Maryam Bahrami Zanjani외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 15.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 최신 SH0ES 및 SPT-3G 데이터를 활용하여 Hubble 긴장을 완화하기 위해 11개의 천체물리 모델을 평가하며, 가능성 있는 학습 에뮬레이터를 활용해 우도 평가를 가속화한다. 시간에 따라 변하는 전자 질량과 Majoron 모델은 >3σ 수준에서 배제되며, 초기 어둠의 에너지 및 공간 곡률 모델은 긴장을 1.0–2.9σ로 줄이지만 통계적으로 ΛCDM를 대체할 수 있는 유의미한 결과를 내지 못한다.

ABSTRACT

We present an updated analysis of eleven cosmological models that may help reduce the Hubble tension, which now reaches the $6σ$ level when considering the latest SH0ES measurement versus recent CMB and BAO data, assuming $Λ$CDM. Specifically, we look at five classical extensions of $Λ$CDM (with massive neutrinos, spatial curvature, free-streaming or self-interacting relativistic relics, or dynamical dark energy) and six elaborate models featuring either a time-varying electron mass, early dark energy or some non-trivial interactions in the neutrino sector triggered by a light Majoron. We improve over previous works in several ways. We include the latest data from the South Pole Telescope as well as the most recent measurement of the Hubble rate by the SH0ES collaboration. We treat the summed neutrino mass as a free parameter in most of our models, which reveals interesting degeneracies and constraints. We define additional metrics to assess the potential of a model to reduce or even solve the Hubble tension. We validate an emulator that uses active learning to train itself during each parameter inference run for any arbitrary model. We find that the time-varying electron mass and the Majoron models are now ruled out at more than $3σ$. Models with a time-varying electron mass and spatial curvature or with early dark energy reduce the tension to $1.0-2.9σ$. Nevertheless, none of the models considered in this work is favored with enough statistical significance to become the next concordance model of Cosmology.

연구 동기 및 목표

• SH0ES와 CMB/BAO 측정치 간의 6σ Hubble 긴장을 해결할 수 있는 ΛCDM의 확장 모델이 존재하는지 평가하기 위해.
• 최신 SH0ES H₀ = 73.29 ± 0.90 km/s/Mpc 및 SPT-3G CMB 데이터를 통합하여 종합적인 모델 비교를 수행하기 위해.
• 합산 중성자 질량을 자유 매개변수로 취급하여 새로운 디제네러시와 제약 조건을 밝혀내기 위해.
• 다양한 천체물리 모델에 걸쳐 효율적인 우도 평가를 위한 가능성 있는 학습 에뮬레이터를 개발하고 검증하기 위해.
• 통계적 유의성 이상의 수준을 넘어서 Hubble 긴장을 해결할 잠재력을 평가하기 위한 새로운 지표를 정의하기 위해.

제안 방법

• 11개의 천체물리 모델(ΛCDM 확장 및 비표준 모델 포함)에 대해 MCMC 샘플링을 활용한 베이지안 프레임워크를 사용하여 사후 분포를 추론한다.
• CLASS 볼츠만 코드를 활용해 CMB 스펙트럼을 계산하고, 각 MCMC 런 동안 실시간으로 훈련된 가능성 있는 학습 에뮬레이터를 적용하여 계산 비용을 절감한다.
• 에뮬레이터는 체인당 400–1700회의 CLASS 호출을 기반으로 훈련되며, 약 60,000–90,000회의 평가에 사용되어 전체 시뮬레이션 대비 약 99% 감소를 이룬다.
• χ² 최소화를 위해 BOBYQA 알고리즘을 사용하고 다수의 무작위 초기값을 활용해 국소 최소값을 피하고, 에뮬레이터를 통해 수치적 노이즈를 매끄럽게 처리한다.
• 에뮬레이터 정확도를 검증하기 위해 에뮬레이션 유무에 따라 사후 윤곽을 비교하였으며, 비정규 분포 사후 분포의 경우에도 뛰어난 일치를 보였다.
• 모델 성능 평가를 위해 새로운 지표인 DMAP 및 AIC를 도입하여 표준 베이지안 증거를 넘어서 Hubble 긴장을 줄이는 데의 성능을 평가한다.

Figure 1 : A graphical representation of the first four columns of Table 6 . Left : The black dots and their intervals correspond to the mean value of $H_{0}$ and its 68%CL, respectively, for each model. The gold band is the 68% CL on $H_{0}$ from Planck [ 9 ] , while the light-salmon one correspond

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 SH0ES 및 SPT-3G 데이터를 포함함으로써, 확장된 ΛCDM 모델에서 Hubble 긴장의 유의미성이 감소하는가?
• RQ2 어떤 천체물리 모델이 Hubble 긴장을 가장 효과적으로 줄이고, 그 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 비정규 사후 분포를 포함한 다양한 모델에서 CMB 스펙트럼을 근사하는 데 있어 가능성 있는 학습 에뮬레이터의 정확도는 어떠한가?
• RQ4 현재 데이터를 바탕으로 시간에 따라 변하는 전자 질량 또는 경량 Majoron을 포함한 모델이 Hubble 긴장의 해결책으로 유의미한가?
• RQ5 어떤 모델이 Hubble 긴장을 해결할 능력을 갖추고 있는지의 통계적 유의성은 무엇이며, 어떤 모델이 다음의 공존 모델로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• 시간에 따라 변하는 전자 질량 모델은 CMB 및 BAO 데이터와의 강한 긴장으로 인해 3σ 이상의 유의미성으로 배제된다.
• 경량 Majoron과 중성자 영역 상호작용을 포함하는 Majoron 모델 역시 3σ 이상의 유의미성으로 배제된다.
• 초기 어둠의 에너지 또는 공간 곡률를 포함한 시간에 따라 변하는 전자 질량 모델은 Hubble 긴장을 1.0–2.9σ로 줄인다.
• 이러한 감소에도 불구하고, 어떤 모델도 통계적으로 충분히 높은 유의미성을 확보하지 못하여 다음 공존 모델로 간주될 수 없다.
• 가능성 있는 학습 에뮬레이터는 계산 비용을 약 99% 감소시키며, 매우 비정규적인 경우에도 사후 윤곽을 정확히 재현한다.
• 본 연구는 모든 테스트된 모델에서 Hubble 긴장이 여전히 지속됨을 확인하였으며, ΛCDM의 단일 확장 모델이 통계적으로 유리한 해결책을 제공하지 못함을 밝혔다.

Figure 2 : Tension between the $H_{0}$ measurement by the SH0ES [ 25 ] collaboration and the marginalised $H_{0}$ posterior obtained in this work for each of the considered models and data combinations. The tension is quantified by $Q_{\text{MPCL}}$ , see eq. ( 4.5 ), and is given in units of $\sigm