[论文解读] Dissecting the $H_0$ and $S_8$ tensions with Planck + BAO + supernova type Ia in multi-parameter cosmologies

Luis A. Anchordoqui, Eleonora Di Valentino+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 214被引用 84

一句话总结

本研究调查了是否可以通过对宇宙学模型在早期和晚期时间的联合修正，同时解决 H₀ 和 S₈ 矛盾，方法基于普朗克 CMB、BAO 和 Ia 型超新星数据。尽管探索了 24 种多参数模型（包括相互作用暗能量、弯曲时空以及早期宇宙修正），但没有任何可行配置能同时解决两个矛盾，表明与标准 ΛCDM 框架存在持续的不相容性。

ABSTRACT

The mismatch between the locally measured expansion rate of the universe and the one inferred from observations of the cosmic microwave background (CMB) assuming the canonical $\Lambda$CDM model has become the new cornerstone of modern cosmology, and many new-physics set ups are rising to the challenge. Concomitant with the so-called $H_0$ problem, there is evidence of a growing tension between the CMB-preferred value and the local determination of the weighted amplitude of matter fluctuations $S_8$. It would be appealing and compelling if both the $H_0$ and $S_8$ tensions were resolved at once, but as yet none of the proposed new-physics models have done so to a satisfactory degree. Herein, we adopt a systematic approach to investigate the possible interconnection among the free parameters in several classes of models that typify the main theoretical frameworks tackling the tensions on the universe expansion rate and the clustering of matter. Our calculations are carried out using the publicly available Boltzmann solver CAMB in combination with the sampler CosmoMC. We show that even after combining the leading classes of models sampling modifications of both the early and late time universe a simultaneous solution to the $H_0$ and $S_8$ tensions remains elusive.

研究动机与目标

• 评估是否可通过宇宙学模型在早期和晚期时间的联合修正，同时解决 H₀ 和 S₈ 矛盾。
• 系统性地探索包括相互作用暗能量和弯曲时空在内的早期与晚期物理的 24 种模型组合。
• 评估 ΛCDM 的多参数扩展在调和本地 H₀ 测量值与 CMB 推断值之间不一致方面的可行性。
• 研究参数退化和交叉相关性，这些因素可能阻碍同时解决两个矛盾。
• 确定是否存在某一类模型能在当前观测约束下，为两个矛盾提供统计上一致的解决方案。

提出的方法

• 采用 Boltzmann 求解器 CAMB 和 CosmoMC 采样工具计算宇宙学可观测量并探索参数空间。
• 结合普朗克 2018 年 CMB 温度和极化数据、重子声学振荡（BAO）数据以及 Ia 型超新星（Pantheon）数据。
• 探索涉及早期宇宙修正（如声速变化、早期暗能量）和晚期修正（如相互作用暗能量、空间曲率）的 24 种模型组合。
• 对宇宙学参数施加标准先验，并使用贝叶斯证据评估模型的可行性。
• 分析参数的交叉相关性和退化关系，以理解多维参数空间中的约束和矛盾。
• 使用 S₈ = σ₈√Ωₘ/0.3 统计量量化物质涨落幅度的矛盾。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过 ΛCDM 模型在早期和晚期时间的联合修正，能否同时解决 H₀ 和 S₈ 矛盾？
• RQ2 哪些早期与晚期物理的组合能为同时解决两个矛盾提供最可行的参数空间？
• RQ3 参数退化和交叉相关性如何影响同时解决两个矛盾的能力？
• RQ4 与孤立修正相比，相互作用暗能量或弯曲时空模型是否能提供更一致的解决方案？
• RQ5 是否存在任何多参数模型，能在满足普朗克、BAO 和超新星数据统计可接受拟合的同时，解决两个矛盾？

主要发现

• 在当前观测约束下，没有任何可行的 ΛCDM 模型在早期和晚期时间的联合修正中能同时解决 H₀ 和 S₈ 矛盾。
• 即使探索了 24 种模型组合，包括相互作用暗能量和弯曲时空，也无一模型能为两个矛盾提供一致的解决方案。
• 所有测试的多参数扩展中，H₀ 矛盾（本地值与 CMB 推断值之间 4.2σ 的差异）和 S₈ 矛盾（BOSS+KV450 数据下 3.4σ）均未解决。
• 参数的交叉相关性和退化关系阻止了两个可观测量间矛盾的有效抵消。
• 为缓解 H₀ 矛盾而减小声学视界长度的模型往往会加剧 S₈ 矛盾，反之亦然。
• 本研究结论认为，同时解决两个矛盾仍遥不可及，提示 ΛCDM 框架可能存在根本性问题，或需要更激进的物理理论。