[论文解读] EMPRESS. VIII. A New Determination of Primordial He Abundance with Extremely Metal-Poor Galaxies: A Suggestion of the Lepton Asymmetry and Implications for the Hubble Tension

Akinori Matsumoto, Masami Ouchi+43 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究利用59个极低金属丰度星系（包括8个碳氧比低于太阳丰度10%的星系），提出了一种新的原始氦丰度测定结果（$Y_{\mathrm{P}} = 0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$）。通过将$Y_{\mathrm{P}}$与氘的测量结果结合，并允许存在电子中微子简并参数（$\xi_e$），该研究推测出非零的$\xi_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$以及$N_{\mathrm{eff}} \approx 3.11$，可能通过额外辐射和轻子不对称性缓解哈勃张力问题。

ABSTRACT

The primordial He abundance $Y_\mathrm{P}$ is a powerful probe of cosmology. Currently, $Y_\mathrm{P}$ is best determined by observations of metal-poor galaxies, while there are only a few known local extremely metal-poor ($<0.1 Z_\odot$) galaxies (EMPGs) having reliable He/H measurements with HeI$λ$10830 near-infrared (NIR) emission. Here we present deep Subaru NIR spectroscopy for 10 EMPGs. Combining the existing optical data, He/H values of 5 out of the 10 EMPGs are reliably derived by the Markov chain Monte Carlo algorithm. Adding the existing 3 EMPGs and 51 moderately metal-poor ($0.1-0.4 Z_\odot$) galaxies with reliable He/H estimates, we obtain $Y_\mathrm{P}=0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$ by linear regression in the $\mathrm{(He/H)}-\mathrm{(O/H)}$ plane, where we increase the number of EMPGs from 3 to 8 anchoring He/H of the most metal-poor gas in galaxies. Although our $Y_\mathrm{P}$ measurement and previous measurements are consistent, our result is slightly ($\sim 1σ$) smaller due to our EMPGs. With our $Y_\mathrm{P}$ and the existing primordial deuterium $D_\mathrm{P}$ measurement, we constrain the effective number of neutrino species $N_\mathrm{eff}$ and the baryon-to-photon ratio $η$ showing $\gtrsim 1-2σ$ tensions with the Standard Model and Planck Collaboration et al. (2020). Motivated by the tensions, we allow the degeneracy parameter of electron-neutrino $ξ_e$ to vary as well as $N_\mathrm{eff}$ and $η$. We obtain $ξ_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$, $N_\mathrm{eff}=3.11^{+0.34}_{-0.31}$, and $η imes10^{10}=6.08^{+0.06}_{-0.06}$ from the $Y_\mathrm{P}$ and $D_\mathrm{P}$ measurements with a prior of $η$ taken from Planck Collaboration et al. (2020). Our constraints suggest a lepton asymmetry and allow for a high value of $N_\mathrm{eff}$ within the $1σ$ level, which could mitigate the Hubble tension.

研究动机与目标

• 通过更大样本的极低金属丰度星系（EMPGs）提高原始氦丰度（$Y_{\mathrm{P}}$）测定的精度。
• 检验$Y_{\mathrm{P}}$与宇宙微波背景（CMB）和原初核合成（BBN）理论预测的一致性。
• 探究非零电子中微子简并参数（$\xi_e$）的可能性及其对$N_{\mathrm{eff}}$的影响。
• 探讨非零$\xi_e$与提升的$N_{\mathrm{eff}}$是否能在不破坏BBN约束的前提下缓解哈勃张力。

提出的方法

• 利用昴星团/MOIRCS、IRCS和SWIMS进行近红外（NIR）光谱观测，测量11个金属丰度低于太阳10%的EMPGs中He i $\lambda$ 10830谱线。
• 排除一个具有强外流的星系，以确保电离气体物理条件的可靠性。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，从观测的谱线流量中推导最佳拟合物理参数。
• 将新的$Y_{\mathrm{P}}$与Cooke等人（2018年）提供的氘氢比（$D_{\mathrm{P}}$）联合约束。
• 在$N_{\mathrm{eff}}$和$\eta$的约束中允许非零的电子中微子简并参数（$\xi_e$），以探索轻子不对称性。
• 应用$\chi^2$最小化方法，在不同假设下确定$N_{\mathrm{eff}}$、$\eta$和$\xi_e$的最佳拟合值。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于59个极低金属丰度星系样本，对原始氦丰度（$Y_{\mathrm{P}}$）的最精确测定结果是什么？
• RQ2 当与$D_{\mathrm{P}}$联合时，测得的$Y_{\mathrm{P}}$值是否与标准模型中$N_{\mathrm{eff}} = 3.046$的预测存在张力？
• RQ3 非零电子中微子简并参数（$\xi_e$）是否能解释高于预期的$N_{\mathrm{eff}}$值？
• RQ4 观测到的$N_{\mathrm{eff}}$值是否与普朗克CMB对重子光子比（$\eta$）的测量结果一致？
• RQ5 轻子不对称性与额外辐射的组合是否能在不违反BBN约束的前提下缓解哈勃张力？

主要发现

• 对$Y_{\mathrm{P}}$与氧丰度进行线性回归，得到$Y_{\mathrm{P}} = 0.2370^{+0.0034}_{-0.0033}$，与CMB推导的值一致。
• 结合Cooke等人（2018年）的$D_{\mathrm{P}}$，联合约束结果为$N_{\mathrm{eff}} = 2.37^{+0.19}_{-0.24}$，与标准模型值3.046相比存在$\gtrsim 2\sigma$的张力。
• 允许非零$\xi_e$时，最佳拟合参数为$\xi_e = 0.05^{+0.03}_{-0.02}$，$N_{\mathrm{eff}} = 3.11^{+0.34}_{-0.31}$，且$\eta \times 10^{10} = 6.08^{+0.06}_{-0.06}$，与普朗克测量结果一致。
• $N_{\mathrm{eff}}$的1σ上限达到3.45，表明通过额外辐射缓解哈勃张力存在潜在路径。
• 结果表明可能存在电子中微子不对称性（$\xi_e \sim 0.05$），其可增加$N_{\mathrm{eff}}$而不违反BBN约束。
• 本研究将用于$Y_{\mathrm{P}}$测定的可靠EMPGs数量从3个增加到8个，显著提升了统计稳健性。