[論文レビュー] Evidence for suppression of structure growth in the concordance cosmological model

Nhat-Minh Nguyen, Dragan Huterer+1 more|PubMed|Feb 2, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 97被引用数 9

ひとこと要約

論文は、成長率γが高いためGRベースの平坦なΛCDM予測に比べ宇宙構造の成長が抑制されるという証拠を示し、Planck CMBと大規模構造データを用いて成長指数γを定量化する。

ABSTRACT

We present evidence for a suppressed growth rate of large-scale structure during the dark-energy-dominated era. Modeling the growth rate of perturbations with the "growth index" γ, we find that current cosmological data strongly prefer a higher growth index than the value γ=0.55 predicted by general relativity in a flat Lambda cold dark matter cosmology. Both the cosmic microwave background data from Planck and the large-scale structure data from weak lensing, galaxy clustering, and cosmic velocities separately favor growth suppression. When combined, they yield γ=0.633_{-0.024}^{+0.025}, excluding γ=0.55 at a statistical significance of 3.7σ. The combination of fσ_{8} and Planck measurements prefers an even higher growth index of γ=0.639_{-0.025}^{+0.024}, corresponding to a 4.2σ tension with the concordance model. In Planck data, the suppressed growth rate offsets the preference for nonzero curvature and fits the data equally well as the latter model. A higher γ leads to a higher matter fluctuation amplitude S_{8} inferred from galaxy clustering and weak lensing measurements, and a lower S_{8} from Planck data, effectively resolving the S_{8} tension.

研究の動機と目的

• 構造の成長がGRと一致しない flat ΛCDM宇宙を動機づけ、検証する。
• 成長を定量化する成長指数パラメータ化 f(a) = Ωm(a)^γ を導入・適用する。
• γと関連パラメータを制約するためPlanck CMBデータと大規模構造データを組み合わせる。
• PlanckとLSSデータで観測されるS8とΩKの緊張を、より高いγを許容することで調整できるか評価する。

提案手法

• f(a) = Ωm(a)^γ および Eq.(3) から D(γ,a) で成長をパラメータ化する。
• 線形物質電力スペクトルを P(γ,k,a) = P_today(k,a=1) D^2(γ,a) とモデル化する。
• γを実装し γ=0.55 で標準出力を再現するよう CAMB を修正。
• MCMC（cobaya）を用いて γと標準的宇宙論パラメータを制約する。事前分布は γ ~ U(0,2)。
• データセットとして fσ8 測定値、Planck 2018（PL18）、DESY1、BAOを使用；組み合わせとして fσ8+PL18、fσ8+DESY1+BAO、そして全てを分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 γを変動可能にしたとき、flat ΛCDMにおける構造成長はGR予測と異なるか。
• RQ2 γを大きくするとPlanckと低赤方偏移のLSSデータ間のS8とΩKの緊張を収束させられるか。
• RQ3 異なるデータ組み合わせ（Planck、DES、BAO、fσ8）は γ と関連パラメータをどのように制約するか。
• RQ4 γ = 0.55 からの検出された偏差の統計的有意性はどの程度か。

主な発見

Data	γ	S8	H0 [kms^{-1} Mpc^{-1}]	|log10 BF_{10}|	Δχ^2_{γ} - χ^2_{γ=0.55}
PL18	0.668^{+0.068}_{-0.067}	0.807^{+0.019}_{-0.019}	68.1^{+0.7}_{-0.7}	0.4	-2.8
PL18 + fσ8	0.639^{+0.024}_{-0.025}	0.814^{+0.011}_{-0.011}	67.9^{+0.5}_{-0.5}	1.7	-13.6
PL18 + fσ8 + DESY1 + BAO	0.633^{+0.025}_{-0.024}	0.802^{+0.008}_{-0.008}	68.4^{+0.4}_{-0.4}	1.2	-13.2
PL18 + fσ8 + DESY1 + BAO (flat ΛCDM+GR)	0.55	0.803^{+0.008}_{-0.008}	68.5^{+0.4}_{-0.4}	-	-

• 結合データは γ > 0.55 を好み、GRに対する平坦ΛCDMにおける成長抑制を示唆。
• fσ8 + PL18 では γ = 0.639^{+0.024}_{-0.025}（0.55の4.2σ排除）
• 全データ（fσ8+PL18+DESY1+BAO）では γ = 0.633^{+0.025}_{-0.024}（0.55の3.7σ排除）
• γ>0.55を許容するとPlanckとLSSのS8推定値を互いに近づける方向に動くためS8の緊張が緩和される（DES+BAOはγ>0.55でより高いS8を、Planckは低いS8を好む）。
• 曲率を変動可能とすると γ との間に縮退が見られる；PL18データは ΩK < 0 または γ > 0.55 のどちらかを好むが、二つのシナリオの適合度は同等。
• 成長抑制の解釈は CMB 分析における A_lens および負の曲率の効果を模倣する可能性がある。