[論文レビュー] Dark Energy at early times and ACT: a larger Hubble constant without late-time priors

Vivian Poulin, Tristan L. Smith+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 81被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、アタカマ・コスモロジー・テレスコープ（ACT）のデータに加え、BAOおよびパンセオン超新星データを組み合わせることで、早期のダークエネルギー（EDE）モデル—特にaxEDEおよびNEDE—が2σ以上で優位であることを示している。これは、後期の$H_0$の事前分布に依存せずに、$H_0 \sim 70{-}74$ km/s/Mpcという局所的測定と整合する結果をもたらし、Hubble定数の矛盾（Hubble tension）を解消する。Planckデータを除いた場合、EDEモデルはHubble矛盾を解消するが、Planck + ACTデータはEDEをより厳密に制限し、モデル依存の矛盾を明らかにし、高ℓ CMB測定がEDEの状況を区別する上で重要であることを示している。

ABSTRACT

In this paper we fit two models of Early Dark Energy (EDE) (an increase in the expansion rate before recombination) to the combination of Atacama Cosmology Telescope (ACT) measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB) with data from either the WMAP or the Planck satellite, along with measurements of the baryon acoustic oscillations and uncalibrated supernovae luminosity distance. We study a phenomenological axion-like potential ('axEDE') and a scalar field experiencing a first-order phase-transition ('NEDE'). We find that for both models the 'Planck-free' analysis yields non-zero EDE at > 2 sigma and an increased value for $H_0 \sim 70-74$ km/s/Mpc, compatible with local measurements, without the inclusion of any prior on $H_0$. On the other hand, the inclusion of Planck data restricts the EDE contribution to an upper-limit only at 95% C.L. For axEDE, the combination of Planck and ACT leads to constraints 30% weaker than with Planck alone, and there is no residual Hubble tension. On the other hand, NEDE is more strongly constrained in a Planck+ACT analysis, and the Hubble tension remains at $\sim 3σ$, illustrating the ability for CMB data to distinguish between EDE models. We explore the apparent inconsistency between the Planck and ACT data and find that it comes (mostly) from a slight tension between the temperature power spectrum at multipoles around $\sim 1000$ and $\sim 1500$. Finally, through a mock analysis of ACT data, we demonstrate that the preference for EDE is not driven by a lack of information at high-$\ell$ when removing Planck data, and that a LCDM fit to the fiducial EDE cosmology results in a significant bias on $\{H_0,ω_{ m cdm}\}$. More accurate measurements of the TT power spectra above $\ell\sim 2500$ and EE between $\ell \sim 300-500$ will play a crucial role in differentiating EDE models.

研究の動機と目的

• ACT CMBデータのみが、後期の$H_0$の事前分布に依存せずに、早期のダークエネルギー（EDE）モデルを支持できるかどうかを検証すること。
• ACTデータに加え、大規模なCMB、BAO、パンセオン超新星の距離データを組み合わせた場合、EDEモデルがHubble矛盾を解消できるかどうかを調査すること。
• ACT + WMAP/PlanckのEDE制約を、Planck単独のものと比較し、データの組み合わせがEDE検出やHubble矛盾に与える影響を評価すること。
• ACTとPlanckのCMBパワースペクトルの間に生じる矛盾の原因を特定すること、特に$\ell \sim 1000$および$\ell \sim 1500$付近で。
• Planckデータを除外した際にACTデータでEDEが好まれる理由が、デゲネラシーの影響か情報損失によるものかを、モックデータ解析を用いて評価すること。

提案手法

• phenomenological axion-likeポテンシャルを用いたaxEDEと、一次相転移を伴うスカラー場を用いたNEDEという2つのEDEモデルを、ACTデータに加え、WMAPまたはPlanck CMBデータ、BAO、パンセオン超新星の距離距離を用いてフィットする。
• ACTの尤度コードとPlanck/WMAP CMBパワー スペクトル（レンズ再構成を含む）を用いた尤度解析により、宇宙論的パラメータを制約する。
• Planckデータを除外した場合に高多重度で情報損失が生じるかどうかを検証するため、ACTのモックデータ解析を実施する。
• フィducial EDE宇宙論に対する$\Lambda$CDMのフィットを比較し、EDEを無視した場合の$H_0$および$\Omega_{\rm cdm}$におけるバイアスを定量化する。
• 特定の多重度における温度（TT）および偏光（EE）スペクトルの寄与を分離することで、ACTとPlanckのCMBパワー スペクトルの矛盾を分析する。
• 将来的なCMB調査（例：Simons Observatory, CMB-S4）の影響を予測し、EDEモデルを区別する上で高ℓ TTおよびEE測定の重要性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ACT CMBデータのみが、後期の$H_0$の事前分布に依存せずに、早期のダークエネルギー（EDE）を支持する証拠を提供するか？
• RQ2 ACTにWMAPデータを組み合わせる場合とPlanckデータを組み合わせる場合とで、EDEの制約はどのように異なるか？
• RQ3 Planckデータを組み込むと、axEDEではEDE信号が抑制されるが、NEDEでは抑制されないのはなぜか？ これはEDEモデルの区別可能性に何を示唆するか？
• RQ4 ACTとPlanckのCMBパワー スペクトルの間に生じる矛盾の原因は何か、特に$\ell \sim 1000$および$\ell \sim 1500$付近で。
• RQ5 ACTデータにおけるEDEの好まれる傾向は、Planckデータを除外した際のデゲネラシーまたは情報損失に起因するものか、それとも堅実な信号か？

主な発見

• ACTデータに加え、WMAP、BAO、パンセオン超新星を組み合わせた結果、axEDEおよびNEDEの両モデルで非ゼロのEDE信号が$\gtrsim 2\sigma$で得られ、$H_0$の事前分布は一切使用していない。
• 得られた$H_0 \sim 70{-}74$ km/s/Mpcは、局所的測定であるSH0ESと整合しており、後期の事前分布なしにHubble矛盾が解消された。
• Planck + ACTデータでは、EDEは95%信頼区間で上限のみに制限され、$f_{\rm axEDE}(z_c) < 0.110$となり、Planck単独の制約より弱い。
• axEDEでは、Planck + ACTの制約はPlanck単独のものより30%弱く、残留するHubble矛盾は存在しない。
• NEDEでは、Planck + ACT解析においてもHubble矛盾が$\sim 3\sigma$で残り、CMBデータがEDEモデルを区別できることを示している。
• ACTとPlanckのCMBパワー スペクトルの矛盾は、主に$\ell \sim 1000$および$\ell \sim 1500$付近の温度パワー スペクトルにおけるわずかな不一致に起因する。
• モックデータ解析により、ACTにおけるEDEの好まれる傾向がデゲネラシーまたは情報損失によるものではなく、$\Lambda$CDMをフィducial EDEモデルにフィットすると$H_0$および$\Omega_{\rm cdm}$に顕著なバイアスが生じることが確認された。
• 将来的なCMB調査において、EDEモデルを区別するには、$\ell \sim 2500$以上のTT高精度測定および$\ell \sim 300-500$のEE測定が不可欠である。