[论文解读] Assessing the robustness of sound horizon-free determinations of the Hubble constant

Tristan L. Smith, Vivian Poulin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文利用BOSS星系功率谱在ΛCDM及非ΛCDM模型下评估了无声视界（$r_s$-free）的哈勃常数$H_0$测定结果。研究发现，$H_0$的约束结果高度依赖于模型假设和先验条件，这削弱了所谓无$r_s$分析可独立检验新物理的说法；EDE与$\Delta N_{\rm eff}$模型给出更高的$H_0$值，而$\Delta m_e$模型则与ΛCDM一致，当前数据未显示与SH0ES或Planck之间存在显著张力。

ABSTRACT

The Hubble tension can be addressed by modifying the sound horizon ($r_s$) before recombination, triggering interest in $r_s$-free early-universe estimates of the Hubble constant, $H_0$. Constraints on $H_0$ from an $r_s$-free analysis of the full shape BOSS galaxy power spectra within LCDM were recently reported and used to comment on the viability of physics beyond LCDM. Here we demonstrate that $r_s$-free analyses with current data depend on the model and the priors placed on the cosmological parameters, such that LCDM analyses cannot be used as evidence for or against new physics. We find that beyond-LCDM models which introduce additional energy density with significant pressure support, such as early dark energy (EDE) or additional neutrino energy density ($ΔN_{ m eff}$), lead to larger values of $H_0$. On the other hand, models which only affect the time of recombination, such as a varying electron mass ($Δm_e$), produce $H_0$ constraints similar to LCDM. Using BOSS data, constraints from light element abundances, cosmic microwave background (CMB) lensing, a CMB-based prior on the scalar amplitude ($A_s$), spectral index ($n_s$), and $Ω_m$ from the Pantheon+ supernovae data set, we find that in LCDM, $H_0=64.9\pm 2.2$ km/s/Mpc; EDE, $H_0=68.7^{+3}_{-3.9}$; $ΔN_{ m eff}$, $H_0=68.1^{+2.7}_{-3.8}$; $Δm_e$, $H_0=64.7^{+1.9}_{-2.3}$. Using a prior on $Ω_m$ from uncalibrated BAO and CMB measurements of the projected sound horizon, these values become in LCDM, $H_0=68.8^{+1.8}_{-2.1}$; EDE, $H_0=73.7^{+3.2}_{-3.9}$; $ΔN_{ m eff}$, $H_0=72.6^{+2.8}_{-3.7}$; $Δm_e$, $H_0=68.8\pm 1.9$. With current data, none of the models are in significant tension with SH0ES, and consistency tests based on comparing $H_0$ posteriors with and without $r_s$ marginalization are inconclusive with respect to the viability of beyond LCDM models.

研究动机与目标

• 评估无$r_s$的BOSS星系功率谱分析是否能提供稳健、模型无关的$H_0$约束。
• 评估此类$H_0$约束是否可作为支持或反对超越$\Lambda$CDM物理的证据。
• 研究当$r_s$被边缘化时，不同超越$\Lambda$CDM模型（特别是早期暗能量（EDE）、额外中微子能量密度（$\Delta N_{\rm eff}$）和电子质量变化（$\Delta m_e$））如何影响$H_0$估计值。
• 测试在不同$\Omega_m$先验下（包括来自Pantheon+ Ia型超新星和未经校准的BAO/CMB测量）$H_0$约束的稳健性。

提出的方法

• 在$\Lambda$CDM及超越$\Lambda$CDM模型下，对BOSS DR12星系功率谱执行无$r_s$边缘化的全形貌分析。
• 对重子密度应用大爆炸核合成（BBN）的先验，对CMB弱引力透镜、标量功率谱振幅（$A_s$）和谱指数（$n_s$）使用Planck的先验。
• 对$\Omega_m$采用两种不同的先验：一种来自Pantheon+ Ia型超新星数据集，另一种来自未经校准的BAO和CMB测量的投影声视界（$\theta_{s,d}^{\rm BAO/CMB}$）。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法，计算所有模型和先验下$H_0$的后验分布。
• 通过改变功率谱分析中的最小波数（$k_{\rm min}$）以去除峰信息，以及修改BAO平滑算法，确保在所有$r_{s,d}$值下都能准确去除突起特征，从而测试结果的稳健性。
• 通过将完整Pantheon+似然与简化先验进行比较，验证$\Omega_m$先验使用的合理性，确认在所有模型中结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 无$r_s$的BOSS星系功率谱分析能否提供模型无关的$H_0$约束？
• RQ2 当改变宇宙学模型和先验时，无$r_s$分析得到的$H_0$约束是否依然稳健？
• RQ3 当$r_s$被边缘化时，超越$\Lambda$CDM模型（EDE、$\Delta N_{\rm eff}$、$\Delta m_e$）如何影响$H_0$估计值？
• RQ4 不同$\Omega_m$先验在无$r_s$分析中在多大程度上改变$H_0$约束？
• RQ5 基于$H_0$后验分布是否包含$r_s$边缘化与否的一致性检验，能否明确区分$\Lambda$CDM与新物理？

主要发现

• 在$\Lambda$CDM模型中使用Pantheon+ $\Omega_m$先验时，从无$r_s$分析的BOSS功率谱得出$H_0 = 64.9 \pm 2.2$ km/s/Mpc。
• 当使用来自BAO和CMB的未经校准$\Omega_m$先验时，$\Lambda$CDM中的$H_0$上升至$68.8^{+1.8}_{-2.1}$ km/s/Mpc，接近SH0ES的值。
• 在早期暗能量（EDE）模型中，使用未经校准$\Omega_m$先验时，$H_0 = 73.7^{+3.2}_{-3.9}$ km/s/Mpc，与Planck存在显著张力，但与SH0ES一致。
• 在$\Delta N_{\rm eff}$模型中，使用相同先验时，$H_0 = 72.6^{+2.8}_{-3.7}$ km/s/Mpc，同样与SH0ES一致。
• 在$\Delta m_e$模型中，$H_0 = 68.8 \pm 1.9$ km/s/Mpc，与使用相同先验的$\Lambda$CDM几乎完全相同，表明$H_0$无变化。
• 星系功率谱峰的位置对$H_0$约束无显著影响，因为当$k_{\rm min}$提高以去除峰信息后，后验分布保持一致。