[论文解读] Constraints on dark energy and modified gravity from the BOSS Full-Shape and DESI BAO data

Petter Taule, Marco Marinucci+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用 2

一句话总结

本研究在有效场论暗能量框架（EFTofDE）下，结合BOSS的全形状星系功率谱、DESI的BAO测量和Planck CMB数据，对暗能量和修正引力进行约束。结果表明，尽管CMB数据主要约束了编织参数αB，但大尺度结构数据通过BAO提供的背景信息，显著将运行Planck质量参数αM和暗能量状态方程w的约束精度提高了两倍，从而打破了H₀与αM之间的退化关系。

ABSTRACT

We constrain dark energy and modified gravity within the effective field theory of dark energy framework using the full-shape BOSS galaxy power spectrum, combined with Planck cosmic microwave background (CMB) data and recent baryon acoustic oscillations (BAO) measurements from DESI. Specifically, we focus on a varying braiding parameter $α_{ m B}$, a running of the ``effective'' Planck mass $α_{ m M}$, and a constant dark energy equation of state $w$. The analysis is performed with two of these parameters at a time, including all the other standard cosmological parameters and marginalizing over bias and nuisance parameters. The full-shape galaxy power spectrum is modeled using the effective field theory of large-scale structure up to 1-loop order in perturbation theory. We find that the CMB data is most sensitive to $α_{ m B}$, and that adding large-scale structure information only slightly changes the parameter constraints. However, the large-scale structure data significantly improve the bounds on $α_{ m M}$ and $w$ by a factor of two. This improvement is driven by background information contained in the BAO, which breaks the degeneracy with $H_0$ in the CMB. We confirm this by comparing the BOSS full-shape information with BOSS BAO, finding no significant differences. This is likely to change with future high-precision full-shape data from Euclid and DESI however, to which the pipeline developed here is immediately applicable.

研究动机与目标

• 利用最先进的宇宙学数据集，测试ΛCDM模型之外的暗能量与修正引力本质。
• 通过采用模型无关的有效场论暗能量（EFTofDE）框架，减少理论偏差。
• 通过结合全形状星系功率谱、BAO和CMB数据，改进关键EFTofDE参数——编织参数αB、运行Planck质量αM和暗能量状态方程w的约束。
• 评估不同数据集（CMB、BAO、全形状）对不同EFTofDE参数的相对敏感性，并量化非线性结构形成的影响。
• 开发一个稳健且可扩展的分析流程，适用于未来高精度巡天项目如Euclid和DESI。

提出的方法

• 使用大尺度结构有效场论（EFTofLSS）建模1-loop阶星系功率谱，涵盖弱非线性尺度。
• 采用修改后的PyBird代码计算EFTofDE参数化下的全形状功率谱，包含修改后的聚类动力学。
• 使用修改后的hi class代码整合Planck CMB各向异性，一致处理线性和1-loop阶的EFTofDE微扰与偏置。
• 对EFTofDE系数αB、αM和w采用时变参数化，其中αM明确影响背景演化。
• 使用GetDist包进行贝叶斯推断，对额外参数和星系偏置进行边缘化，数据集包括P18 CMB、BOSS全形状和DESI BAO。
• 由于对大尺度结构观测影响可忽略，将张量速度超额参数αT设为零。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用CMB相比，BOSS的全形状星系功率谱数据在多大程度上改善了对EFTofDE参数的约束？
• RQ2 CMB、BAO和全形状数据对编织参数αB、运行Planck质量αM和暗能量状态方程w的相对敏感性如何？
• RQ3 星系功率谱中的非线性效应在多大程度上影响参数约束？与仅使用BAO的约束相比有何差异？
• RQ4 大尺度结构数据是否能打破CMB仅分析中H₀与αM之间的退化关系？
• RQ5 未来Euclid和DESI的高精度全形状数据将如何影响αM和w的约束？当前分析流程是否已为这些数据做好准备？

主要发现

• 仅使用CMB数据时，对编织参数αB最为敏感，Planck将γB ≡ αB(a₀)约束在±0.083（68% CL）以内，加入LSS数据仅使后验分布轻微移动。
• 加入BOSS全形状功率谱后，对今日运行Planck质量参数γM ≡ αM(a₀)的约束从仅使用Planck时的γM < 1.83收紧至γM < 0.964（Planck + BOSS全形状）。
• αM和w约束精度提高两倍，主要源于BAO测量提供的背景信息，该信息打破了CMB仅分析中H₀与αM之间的退化关系。
• 对比BOSS的全形状与仅BAO的约束显示差异微不足道，表明在当前精度下，功率谱中的非线性对参数边界影响极小。
• 张量速度超额参数αT对大尺度结构观测影响可忽略，因此在分析中设为零。
• 所开发的分析流程已完全准备好应对Euclid和DESI未来高精度全形状数据，预计非线性效应将显著增强约束能力。