[论文解读] BAO+BBN revisited -- Growing the Hubble tension with a 0.7km/s/Mpc constraint

Nils Schöneberg, L. Verde+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

本文重新审视了BAO+BBN探针作为CMB基H₀推断的高约束性替代方案，结合了SDSS DR16的重子声学振荡（BAO）数据与更新的LUNA对氘燃烧速率的测量，辅以原初核合成（BBN）约束。该研究通过ShapeFit与BAO+BBN联合分析，得出H₀ = 68.3 ± 0.7 km/s/Mpc，与SH0ES测量结果存在3.8σ的张力；当与CMB或超新星数据联合时，张力最高达4.2σ，凸显其作为哈勃张力交叉检验的强大能力。

ABSTRACT

The combination of Baryonic Acoustic Oscillation (BAO) data together with light element abundance measurements from Big Bang Nucleosynthesis (BBN) has been shown to constrain the cosmological expansion history to an unprecedented degree. Using the newest LUNA data and DR16 data from SDSS, the BAO+BBN probe puts tight constraints on the Hubble parameter ($H_0 = 67.6 \pm 1.0 \mathrm{km/s/Mpc}$), resulting in a $3.7σ$ tension with the local distance ladder determination from SH0ES in a $Λ$CDM model. In the updated BAO data the high- and low-redshift subsets are mutually in excellent agreement, and there is no longer a mild internal tension to artificially enhance the constraints. Adding the recently-developed ShapeFit analysis yields $H_0 = 68.3 \pm 0.7 \mathrm{km/s/Mpc}$ ($3.8 σ$ tension). For combinations with additional data sets, there is a strong synergy with the sound horizon information of the cosmic microwave background, which leads to one of the tightest constraints to date, $H_0 = 68.30\pm 0.45\mathrm{km/s/Mpc}$, in $4.2σ$ tension with SH0ES. The region preferred by this combination is perfectly in agreement with that preferred by ShapeFit. The addition of supernova data also yields a $4.2σ$ tension with SH0ES for Pantheon, and a $3.5σ$ tension for PantheonPLUS. Finally, we show that there is a degree of model-dependence of the BAO+BBN constraints with respect to early-time solutions of the Hubble tension, and the loss of constraining power in extended models depends on whether the model can be additionally constrained from BBN observations.

研究动机与目标

• 重新评估BAO+BBN组合作为H₀的稳健、独立探针，最大限度减少对CMB或本地距离阶梯数据的依赖。
• 评估BAO+BBN对可能解决哈勃张力的早期宇宙模型的约束能力，特别是影响BBN或早期膨胀的模型。
• 检验BAO+BBN与其他几何探针（如CMB、超新星（Pantheon/PantheonPLUS）和宇宙时钟）之间的一致性与协同性。
• 研究BAO+BBN约束的模型依赖性，特别是针对早期物理解（如暗辐射或电子质量变化）的影响。
• 评估ShapeFit方法是否能提升BAO+BBN对H₀推断的精度，以及其是否能为不被BBN约束的模型提供独立约束。

提出的方法

• 结合SDSS DR16和eBOSS的BAO测量（包括高红移与低红移示踪体，如LRGs、ELGs、QSOs和Lyα），以及更新的LUNA对氘燃烧速率的数据，以改进BBN约束。
• 采用详细的BBN处理方法，使用多种BBN代码（Pisanti et al., Consiglio et al., Pitrou et al.）和观测数据（Cooke et al., Aver et al.），以约束重子密度与声学视界。
• 应用ShapeFit方法从BAO数据中提取再复合时的声学视界，从而实现不依赖CMB各向异性的H₀直接推断。
• 将BAO+BBN约束与外部探针（CMB（Planck）、超新星（Pantheon, PantheonPLUS）和宇宙时钟）结合，以检验一致性并提升精度。
• 通过测试早期物理（如有效相对论子数N_eff和电子质量m_e变化）对BAO+BBN约束的影响，开展模型依赖性分析，利用BBN作为约束条件。
• 采用贝叶斯框架计算H₀与宇宙学参数的后验分布，量化与SH0ES的张力以及各探针间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 BAO+BBN组合能否提供一种精确、独立的H₀测定，且对CMB模型依赖不敏感，同时与本地距离阶梯一致？
• RQ2 引入ShapeFit方法如何提升BAO+BBN对H₀推断的精度？其结果是否与其他几何探针一致？
• RQ3 BAO+BBN约束在多大程度上限制了早期宇宙模型（如暗辐射（N_eff）或电子质量变化（m_e））？这对哈勃张力有何影响？
• RQ4 高红移与低红移BAO测量之间的一致性水平如何？是否消除了彼此之间存在张力的先前担忧？
• RQ5 BAO+BBN探针能否为不改变BBN但仅移动再复合时声学视界的模型提供独立约束，尤其是在未来获得形状测量数据时？

主要发现

• 当与ShapeFit分析结合时，BAO+BBN探针得出H₀ = 68.3 ± 0.7 km/s/Mpc，与SH0ES本地距离阶梯测量结果存在3.8σ张力。
• 当与CMB数据联合时，BAO+BBN+ShapeFit组合得出H₀ = 68.30 ± 0.45 km/s/Mpc，与SH0ES的张力达到4.2σ，显示出强大的协同效应与一致性。
• BAO+BBN组合与CMB各向异性推断一致，并与来自其他几何探针（如超新星和宇宙时钟）推断的H₀相符。
• 对于包含早期物理的模型，BBN约束显著压缩了允许的参数空间：N_eff模型的张力增至2.8σ，m_e模型增至3.5σ，凸显BBN的强大约束能力。
• BAO+BBN探针对影响BBN的模型（如N_eff、m_e）敏感，但对仅改变声学视界而不影响BBN的模型不敏感，突显其模型依赖性约束。
• 加入超新星数据（Pantheon或PantheonPLUS）后，张力分别增至4.2σ与3.5σ；PantheonPLUS结果显示出Ω_m的轻微偏移，证实该探针对数据集差异的敏感性。