[论文解读] Exploring $Λ$CDM extensions with SPT-3G and Planck data: 4$σ$ evidence for neutrino masses and implications of extended dark energy models for cosmological tensions

Anton Chudaykin, Dmitry Gorbunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本研究结合SPT-3G、SPTpol、Planck CMB、BOSS、BAO、弱引力透镜、光度红化星系巡天及Pantheon超新星数据，检验ΛCDM模型的拓展。研究发现中微子质量非零的证据达4σ水平（∑mν = 0.22 ± 0.06 eV），并表明仅当Ia型超新星通过造父变星校准后，动力学暗能量模型才能缓解H₀张力，凸显校准是解决哈勃张力的关键不确定性因素。

ABSTRACT

We present new cosmological constraints in a set of motivated extensions of the $Λ$CDM model using the polarization and gravitational lensing measurements from the South Pole Telescope and the Planck CMB temperature observations at large angular scales. In all cosmological scenarios, this CMB data brings the clustering measurements into agreement with the low-redshift probes of large-scale structure. Combining the SPT-3G, SPTpol and Planck large-scale temperature data with the latest full-shape BOSS and BAO measurements, information from the weak lensing and photometric galaxy clustering, and Pantheon supernova set we find a $4σ$ evidence for nonzero neutrino mass, $\sum m_ν=0.22\pm0.06\,{ m eV}$.Breaking the CMB degeneracies between $\sum m_ν$ and the cosmological parameters by the BOSS data is a major contribution to our neutrino mass measurement. The future CMB data would allow for investigating this measurement. Then we explore the possibility of dynamical dark energy with two model-independent approaches: one introduces a phantom crossing in dark energy equation of state, another provides with a sharp transition in the dark energy evolution. For the combination of all data considered, the both models predict $H_0\simeq68\,{ m km\,s^{-1}Mpc^{-1}}$ being in a $\sim3σ$ tension with the SH0ES constraint. However, when the local Type Ia supernovae are calibrated by Cepheids, the late Universe scenarios suggest significantly higher values of $H_0$ consistent with SH0ES. Our work draws attention to the supernova absolute magnitude calibration as one of the issues on the way to reconcile the $H_0$ tension.

研究动机与目标

• 利用高精度CMB与大尺度结构数据检验ΛCDM模型的拓展。
• 通过SPT-3G、Planck与大尺度结构（LSS）数据联合分析，评估非零中微子质量的显著性。
• 探究动力学暗能量模型是否能缓解H₀与S₈张力。
• 评估超新星绝对星等校准对哈勃张力的影响。
• 检验过渡暗能量（TDE）模型中的先验敏感性。

提出的方法

• 结合SPT-3G与SPTpol的极化与引力透镜测量，以及Planck的大尺度CMB温度数据。
• 整合全形状BOSS星系功率谱与三阶相关函数、BAO、弱引力透镜、光度红化星系巡天及Pantheon超新星数据。
• 使用MCMC采样法约束ΛCDM拓展模型中的宇宙学参数，包括非零中微子质量与动力学暗能量模型。
• 采用两种非模型依赖的暗能量方法：一种允许状态方程穿越phantom点，另一种具有状态方程的急剧跃迁。
• 对H₀施加高斯先验（来自SH0ES），并通过替代对数先验测试先验对TDE模型参数的依赖性。
• 基于基础ΛCDM模型，通过引入LSS、S₈与H₀约束进行参数推断，以评估一致性与张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在结合SPT-3G、Planck与LSS数据时，非零中微子质量的显著性如何？
• RQ2 若不依赖造父变星校准的Ia型超新星，动力学暗能量模型能否调和H₀张力？
• RQ3 对暗能量过渡红移与振幅的先验选择如何影响参数推断？
• RQ4 超新星绝对星等校准在晚期宇宙学中对H₀张力的影响程度如何？
• RQ5 大尺度结构数据在多大程度上打破中微子质量与其他宇宙学参数在CMB中的退化关系？

主要发现

• 发现非零中微子质量的4σ证据，∑mν = 0.22 ± 0.06 eV，主要由CMB与BOSS数据联合驱动。
• 引入BOSS全形状星系聚类数据对打破∑mν与其他宇宙学参数之间的退化关系至关重要。
• 动力学暗能量模型预测H₀ ≈ 68 km s⁻¹ Mpc⁻¹，与SH0ES测得的73.04 ± 1.04 km s⁻¹ Mpc⁻¹仍存在约3σ张力。
• 当本地Ia型超新星通过造父变星校准时，晚期模型预测的H₀值与SH0ES一致，表明校准是张力的关键因素。
• TDE模型的参数约束对先验选择不敏感，基线与对数先验下∆χ²_min = -0.5，表明敏感性极低。
• S₈张力（S₈ ≈ 0.775 ± 0.010）在各类模型中持续存在，DES与KiDS数据与Planck的ΛCDM基准值存在3.3σ张力。