[论文解读] JWST high redshift galaxy observations have a strong tension with Planck CMB measurements

Deng Wang, Yizhou Liu|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 11

一句话总结

本文显示 JWST 高红移星系观测表明的星形成效率高于标准 ΛCDM 的预测，并且发现 Planck CMB 数据在若干个超越 ΛCDM 的模型中无法轻易缓解这一紧张关系；环境 EPS 方法可能在部分程度上解释这一现象。

ABSTRACT

JWST high redshift galaxy observations predict a higher star formation efficiency than the standard cosmology does, which poses a new tension to $Λ$CDM. We find that the situation is worse than expected. The true situation is that the Planck CMB measurement has a strong tension with JWST high redshift galaxy observations. Specifically, we make a trial to alleviate this tension by considering alternative cosmological models including dark matter-baryon interaction, $f(R)$ gravity and dynamical dark energy. Within current cosmological constraints from Planck-2018 CMB data, we find that these models all fail to explain such a large tension. A possible scenario to escape from cosmological constraints is the extended Press-Schechter formalism, where we consider the local environmental effect on the early formation of massive galaxies. Interestingly, we find that an appropriate value of nonlinear environmental overdensity of a high redshift halo can well explain this tension.

研究动机与目标

• 在 ΛCDM 框架下评估 JWST 高红移星系观测与 Planck CMB 约束之间的紧张关系。
• 检验超越 ΛCDM 的模型（暗物质-重子相互作用、f(R) 引力、动态暗能量）是否能缓解这一紧张关系。
• 探讨扩展 Press-Schechter 环境效应在高-z 暗物质晕形成中的作用，作为潜在解释。

提出的方法

• 利用 JWST 数据计算累积恒星质量密度（CSMD），并将其与使用 Press-Schechter HMF 的模型预测进行比较。
• 在 Planck-2018 约束和 JWST CSMD 下评估 DMBI、Hu-Sawicki f(R) 引力和动态暗能量。
• 在 ΛCDM 和 EPS 场景中应用带非线性环境超密度 δ_nl 的扩展 Press-Schechter HMF 来建模 CSMD。
• 使用玻尔兹曼代码（CLASS 用于 DMBI；改动的 CAMB 用于 f(R)、DDE）以获得背景演化、增长因子和 P(k)。
• 通过对 HMF 和体积的积分，推导 CSMD(>M*, z)，以星形成效率 ε 和重子分数 fb 作为参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 超越 ΛCDM 的宇宙学（DMBI、f(R)、DDE）是否能够使 JWST 的 CSMD 与 Planck-2018 约束相调和？
• RQ2 带有非线性环境超密度 δ_nl 的扩展 Press-Schechter 形式是否为 JWST–Planck 矛盾提供可行解释？
• RQ3 在每种模型下匹配 JWST 观测需要哪些参数区间（例如 ε、f_R0、σ_DM-b、ω0、ωa、δ_nl）？
• RQ4 Planck 约束在多大程度上限制了替代模型解决 JWST 异常的能力？

主要发现

• 在 Planck-2018 约束下，DMBI、f(R) 和 DDE 无法缓解 JWST–Planck 矛盾。
• 在 DMBI 中，改变 σ_DM-b 对 CSMD 影响不大；只有 DM 分量 Ω_idm 真实影响 CSMD，这使得调和变得困难。
• f(R) 引力需要一个非常大的 f_R0（例如 10）才能影响 CSMD，这与当前 Planck 约束不兼容。
• DDE 可以适度增加 CSMD，但不同的 ω0 和 ωa 值在 CMB 约束下产生的差异有限。
• 用 EPS 替代 HMF 显示，合适的非线性环境超密度 δ_nl 可以提升 CSMD，但没有一个单一的 δ_nl 值能匹配所有 JWST 数据点。
• 总体而言，EPS 环境效应提供了一种局部解决方案的可能性，但不能为数据提供普遍的解决方案。