[论文解读] Dark Energy at early times and ACT: a larger Hubble constant without late-time priors

Vivian Poulin, Tristan L. Smith+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 81被引用 11

一句话总结

该论文表明，仅使用阿塔卡马宇宙学望远镜（ACT）数据，结合BAO和潘多恩超新星数据，对早期暗能量（EDE）模型——特别是轴子类EDE（axEDE）和非对称性EDE（NEDE）——的偏好程度超过2σ，得出的哈勃常数 $H_0 \sim 70{-}74$ km/s/Mpc 与本地测量结果一致，且无需依赖晚期 $H_0$ 先验。当排除普朗克数据时，该结果可解决EDE模型中的哈勃张力问题；而当结合普朗克与ACT数据时，EDE的约束更紧，暴露出依赖于模型的张力，凸显了高-$\ell$ CMB测量在区分EDE情景中的重要性。

ABSTRACT

In this paper we fit two models of Early Dark Energy (EDE) (an increase in the expansion rate before recombination) to the combination of Atacama Cosmology Telescope (ACT) measurements of the Cosmic Microwave Background (CMB) with data from either the WMAP or the Planck satellite, along with measurements of the baryon acoustic oscillations and uncalibrated supernovae luminosity distance. We study a phenomenological axion-like potential ('axEDE') and a scalar field experiencing a first-order phase-transition ('NEDE'). We find that for both models the 'Planck-free' analysis yields non-zero EDE at > 2 sigma and an increased value for $H_0 \sim 70-74$ km/s/Mpc, compatible with local measurements, without the inclusion of any prior on $H_0$. On the other hand, the inclusion of Planck data restricts the EDE contribution to an upper-limit only at 95% C.L. For axEDE, the combination of Planck and ACT leads to constraints 30% weaker than with Planck alone, and there is no residual Hubble tension. On the other hand, NEDE is more strongly constrained in a Planck+ACT analysis, and the Hubble tension remains at $\sim 3σ$, illustrating the ability for CMB data to distinguish between EDE models. We explore the apparent inconsistency between the Planck and ACT data and find that it comes (mostly) from a slight tension between the temperature power spectrum at multipoles around $\sim 1000$ and $\sim 1500$. Finally, through a mock analysis of ACT data, we demonstrate that the preference for EDE is not driven by a lack of information at high-$\ell$ when removing Planck data, and that a LCDM fit to the fiducial EDE cosmology results in a significant bias on $\{H_0,ω_{ m cdm}\}$. More accurate measurements of the TT power spectra above $\ell\sim 2500$ and EE between $\ell \sim 300-500$ will play a crucial role in differentiating EDE models.

研究动机与目标

• 测试仅使用ACT CMB数据是否能在不依赖晚期 $H_0$ 先验的情况下支持早期暗能量（EDE）模型。
• 研究当将ACT数据与大尺度CMB、BAO及潘多恩超新星数据联合拟合时，EDE模型能否解决哈勃张力问题。
• 比较ACT + WMAP/普朗克数据与仅普朗克数据对EDE的约束，评估数据组合对EDE探测及哈勃张力的影响。
• 探究ACT与普朗克CMB功率谱之间张力的根源，特别是 $\ell \sim 1000$ 和 $\ell \sim 1500$ 附近。
• 评估ACT数据中对EDE的偏好是否源于退化或在排除普朗克数据时的信息损失，通过模拟数据分析进行验证。

提出的方法

• 将两种EDE模型——axEDE（类轴子势的唯象模型）和NEDE（具有的一阶相变的标量场）——拟合至ACT数据，结合WMAP或普朗克CMB数据、BAO及潘多恩超新星光度距离。
• 使用ACT似然代码与普朗克/WMAP CMB功率谱（包括弱引力透镜重建）进行似然分析，以约束宇宙学参数。
• 通过ACT的模拟数据分析，检验EDE偏好是否由在排除普朗克数据时高阶多极数的信息损失所导致。
• 通过将 $\Lambda$CDM 拟合至基准EDE宇宙学模型，量化忽略EDE时 $H_0$ 与 $\Omega_{\rm cdm}$ 的偏差。
• 通过分离温度（TT）与极化（EE）谱在特定多极数下的贡献，分析ACT与普朗克CMB功率谱之间的张力。
• 通过投影未来CMB巡天（如西蒙斯天文台、CMB-S4）的影响，评估高-$\ell$ TT与EE测量在区分EDE模型中的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅使用ACT CMB数据是否能在不依赖晚期 $H_0$ 先验的情况下提供早期暗能量的证据？
• RQ2 当将ACT与WMAP或普朗克数据结合时，EDE的约束有何不同？
• RQ3 为何在axEDE中包含普朗克数据会抑制EDE信号，而在NEDE中不会？这又对模型可区分性意味着什么？
• RQ4 ACT与普朗克CMB功率谱之间的张力根源是什么，特别是 $\ell \sim 1000$ 和 $\ell \sim 1500$ 附近？
• RQ5 ACT数据中对EDE的偏好是退化或信息损失的产物，还是一个稳健的信号？

主要发现

• ACT数据结合WMAP、BAO与潘多恩超新星数据，在 $\gtrsim 2\sigma$ 水平上对axEDE与NEDE模型均显示出非零的EDE信号，且未使用任何 $H_0$ 先验。
• 由此得到的 $H_0 \sim 70{-}74$ km/s/Mpc 与本地SH0ES测量结果一致，无需晚期先验即可解决哈勃张力问题。
• 普朗克+ACT数据仅在95%置信水平下对EDE给出上限，$f_{\rm axEDE}(z_c) < 0.110$，弱于仅使用普朗克数据的约束。
• 对于axEDE，普朗克+ACT的约束比仅使用普朗克数据弱30%，且无残留哈勃张力。
• 对于NEDE，普朗克+ACT分析中哈勃张力仍维持在 $\sim 3\sigma$ 水平，表明CMB数据可区分不同EDE模型。
• ACT与普朗克CMB谱之间的张力主要源于 $\ell \sim 1000$ 与 $\ell \sim 1500$ 附近温度功率谱的微小偏差。
• 模拟数据分析确认，ACT中对EDE的偏好并非源于退化或信息损失，且将 $\Lambda$CDM 拟合至基准EDE模型会引致 $H_0$ 与 $\Omega_{\rm cdm}$ 的显著偏差。
• 未来CMB巡天中，对 $\ell \sim 2500$ 以上的TT功率谱与 $\ell \sim 300-500$ 之间的EE功率谱进行高精度测量，对区分EDE模型至关重要。