[論文レビュー] Constraints on $H_0$ from WMAP and baryon acoustic osillation measurements

Xue Zhang, Qing-Guo Huang|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、平坦な ΛCDM および wCDM モデルにおけるハッブル定数 $H_0$ の制約を求めるために、9年間の WMAP 宇宙マイクロ波背景（CMB）データと、6dFGS、SDSS DR7 MGS、BOSS DR12、eBOSS DR14 からの最新のバリオンアコースティック振動（BAO）測定値を組み合わせた。ΛCDM モデルでは $H_0 = 68.36^{+0.53}_{-0.52}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$、wCDM モデルでは $H_0 = 67.63 \pm 1.30$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ が得られ、両者とも Planck 2018 と整合的だが、ローカルの Riess et al. (2018) 測定値とはそれぞれ 3.1～3.5σ の不一致を示しており、WMAP 唯一の結果と比較して誤差範囲がそれぞれ 75.4% および 95.3% 減少している。

ABSTRACT

We report the constraints of $H_0$ obtained from Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) combined with the latest baryonic acoustic oscillations (BAO) measurements. We use the BAO measurements from the 6dF Galaxy Survey (6dFGS), the SDSS DR7 main galaxies sample (MGS), the BOSS DR12 galaxies and the eBOSS DR14 quasars. Adding the recent BAO measurements to the cosmic microwave background (CMB) data from WMAP, we constrain cosmological parameters $Ω_m=0.298\pm0.005$, $H_0=68.36^{+0.53}_{-0.52}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, $σ_8=0.8170^{+0.0159}_{-0.0175}$ in a spatially flat $Λ$ cold dark matter ($Λ$CDM) model, and $Ω_m=0.302\pm0.008$, $H_0=67.63\pm1.30$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, $σ_8=0.7988^{+0.0345}_{-0.0338}$ in a spatially flat $w$CDM model, respectively. The combined constraint on $w$ from CMB and BAO in a spatially flat $w$CDM model is $w=-0.96\pm0.07$. Our measured $H_0$ results prefer a value lower than 70 km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, consistent with the recent data on CMB constraints from Planck (2018), but in $3.1\sim 3.5σ$ tension with local measurements of Riess et al. (2018) in $Λ$CDM and $w$CDM framework, respectively. Compared with the WMAP alone analysis, the WMPA+BAO analysis reduces the error bar by 75.4% in $Λ$CDM model and 95.3% in $w$CDM model.

研究の動機と目的

• WMAP CMB データと最近の BAO 測定値を組み合わせることで、ハッブル定数 $H_0$ の不確実性を低減すること。
• CMB に基づく測定とローカル測定との間の $H_0$ の不一致が、wCDM ダークエネルギーモデルにおいても継続するかどうかを検証すること。
• 統合された WMAP+BAO データセットを用いて、宇宙論的パラメータ $\Omega_m$、$\sigma_8$、および $w$ の制約を強化すること。
• Planck や SH0ES に依存せずに、プレ・プランク CMB データと現代の BAO データを用いて $H_0$ の不一致を独立して検証すること。

提案手法

• 分析は、宇宙論的パrameter推定の主データセットとして、9年間の WMAP CMB 温度パワースペクトルデータを使用する。
• 6dFGS、SDSS DR7 MGS、BOSS DR12、eBOSS DR14 の4つの独立した調査から得られた BAO 測定値が、CMB 唯一の制約におけるデゲネラシーを解消するために組み込まれている。
• 空間的に平坦な $\Lambda$CDM および $w$CDM フレームワーク内でのマーカフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いて、宇宙論的パラメータの制約が導かれた。
• 両モデル下で、$\Omega_m$、$\Omega_b h^2$、$h$、$\sigma_8$ の事後分布から $H_0$ の値が抽出され、$h = H_0 / (100 \, \text{km s}^{-1} \text{Mpc}^{-1})$ と定義されている。
• BAO データの完全な共分散行列が分析に組み込まれており、赤方偏移に依存する $D_V$、$D_A$、および $H r_d$ 測定値の相関を考慮している。
• $H_0$ のローカル測定値との不一致の有意性は、両モデルにおける両側 $\sigma$-スコアを用いて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平坦な ΛCDM モデルにおいて、WMAP CMB データと最新の BAO 測定値を組み合わせた場合の $H_0$ の制約は何か？
• RQ2 BAO データの追加により、WMAP 唯一の結果と比較して $H_0$ の精度はどのように向上するか？
• RQ3 ローカル測定値（Riess et al. 2018）との $H_0$ の不一致は、wCDM ダークエネルギーモデルでも依然として存在するか？
• RQ4 平坦な wCDM モデルにおいて、WMAP と BAO データを組み合わせた場合の、ダークエネルギーの状態方程式 $w$ の統合的制約は何か？
• RQ5 ΛCDM および wCDM モデルにおいて、BAO データを WMAP データに追加した際の $H_0$ の誤差範囲はどのように変化するか？

主な発見

• 平坦な ΛCDM モデルにおいて、統合された WMAP+BAO 分析により $H_0 = 68.36^{+0.53}_{-0.52}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ が得られ、精度は 0.78% であった。
• 平坦な wCDM モデルにおいて、制約はさらに厳しくなり、$H_0 = 67.63 \pm 1.30$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ となり、精度は 1.93% に向上した。
• 統合された wCDM 制約により、$w = -0.96 \pm 0.07$ が得られ、これはコスモロジカル定数と整合的だが、大きな不確実性を伴うことを示している。
• BAO データの追加により、ΛCDM では $H_0$ の誤差範囲が WMAP 唯一の分析と比較して 75.4% 減少し、wCDM では 95.3% 減少した。
• WMAP+BAO からの $H_0$ 結果は、Planck 2018（$H_0 \approx 67.27$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$）と整合的だが、ローカルの Riess et al. (2018) 測定値（$73.48 \pm 1.66$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$）とは、ΛCDM で 3.1σ、wCDM で 3.5σ の不一致を示している。
• 分析により、より一般的な wCDM モデルに拡張しても $H_0$ の不一致が継続することが確認され、これは不一致がモデル選択の結果ではない可能性を示唆している。