[论文解读] Extended reionization in models beyond $Λ$CDM with Planck 2018 data

D. Paoletti, Dhiraj Kumar Hazra+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本论文利用普朗克2018年CMB各向异性数据，采用具有分段三次Hermite插值的灵活Poly-reion模型，对扩展再电离历史施加了更严格的约束。研究发现再电离持续时间显著缩短（Δz^Reion = 4.59_{-2.45}^{+1.67}），早期开始被强烈排除（z_xe=0 = 18.18_{-10.89}^{+1.61}），且与超越-ΛCDM参数的退化关系显著降低，这主要得益于低多极数E模式极化测量的改进。

ABSTRACT

We provide an update on the constraints on extended reionization histories with the Planck 2018 cosmic microwave background anisotropy data. The Planck 2018 data on large angular scales improve the measurement of the $E$-mode polarization reionization bump at low multipoles providing the possibility to improve our previous results. Using a minor modification to the original Poly-reion model for the reionization history, we find that the Planck 2018 data significantly improve all our previous results: we find as optical depth of $τ=0.0572_{-0.0075}^{+0.0064}$ at 68% CL, that early onsets of reionization are strongly disfavoured, i.e. redshift when the reionization begins, $z_{xe=0}=18.18_{-10.89}^{+1.61}$ at 68% CL,and that reionization duration (defined between 10% and 99% reionization) is significantly reduced, i.e. $Δ_z^{Reion}=4.59_{-2.45}^{+1.67}$ at 68% CL. We explore possible correlations between reionization histories and cosmological parameters, including important extensions beyond $Λ$CDM. We find that the degeneracy between reionization and scalar spectral index,neutrino mass sum, spatial curvature, dark matter annihilation and other non-standard models are significantly reduced.The reduction of the error bars and the degeneracies, together with the shift towards lower values of the optical depth that we observe in the Poly-reion model are mainly driven by the new low-$\ell$ polarization likelihood of Planck 2018 baseline based on the HFI data. This is confirmed also by the results derived without this likelihood and the ones with different alternatives to the baseline that are presented for a subset of models.

研究动机与目标

• 利用更新的普朗克2018年CMB数据，改进对超越标准ΛCDM模型的扩展再电离历史的约束。
• 评估新低多极数E模式极化似然对再电离参数不确定性与退化结构的影响。
• 研究再电离建模灵活性对宇宙学参数退化关系的影响，特别是与中微子质量、空间曲率、暗物质湮灭及原初张量模式的关系。
• 通过多种似然组合（包括替代HFI和LFI极化数据）验证结果的稳健性。

提出的方法

• Poly-reion模型使用分段三次Hermite插值多项式（PCHIP）对电离分数x_e(z)进行建模，包含四个红移节点，其中z=0和z=5.5为固定节点，z_int和z_xe=0为灵活节点。
• 该模型允许中间节点处电离分数幅度和红移自由变化，从而在再电离历史重建方面比标准双曲正切模型更具灵活性。
• 通过使用普朗克2018年基线似然，包括来自HFI数据的新低-ℓ极化似然，并与LFI联合(T,Q,U)似然等替代似然进行比较，推导约束条件。
• 对再电离参数与ΛCDM扩展参数（包括中微子质量总和、空间曲率、暗物质湮灭、透镜化幅度A_L及原初张量贡献）之间的退化关系进行分析。
• 分析还包括使用SROLL2地图生成算法重新处理的HFI数据，以检验结果的稳健性。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛方法进行统计推断，以获得68%置信水平下的后验分布与可信区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用Poly-reion模型与普朗克2018年数据时，光学深度τ和再电离持续时间Δz^Reion的更新约束为何？
• RQ2 将来自HFI数据的新低-ℓ E模式极化似然纳入后，对再电离参数的精度与退化结构有何影响？
• RQ3 扩展宇宙学模型（如中微子质量变化、空间曲率、暗物质湮灭）在多大程度上改变了推断的再电离历史及其不确定性？
• RQ4 与标准双曲正切模型相比，Poly-reion模型在光学深度和再电离时序方面有何差异？
• RQ5 替代似然（如LFI或重新处理的HFI）对再电离约束的稳健性有何影响？

主要发现

• 在68%置信水平下，光学深度被约束为τ = 0.0572_{-0.0075}^{+0.0064}，与标准双曲正切模型一致，但精度更高。
• 再电离持续时间（定义为10%至99%电离之间）显著缩短至Δz^Reion = 4.59_{-2.45}^{+1.67}（68% CL）。
• 再电离早期开始被强烈排除，再电离开始的红移被约束在z_xe=0 = 18.18_{-10.89}^{+1.61}（68% CL）。
• 由于低多极数极化数据的改进，再电离参数与超越-ΛCDM参数之间的退化关系（尤其是与中微子质量总和、空间曲率及原初张量模式）显著降低。
• 普朗克2018年HFI数据提供的新低-ℓ E模式极化似然是改进约束与减小误差条的主要驱动力。
• Poly-reion模型降低了在扩展模型中对更低光学深度的拉力，使透镜化幅度与空间曲率估计值更接近ΛCDM值，仅在A_L与空间曲率之间存在残余退化关系。