[论文解读] Model-agnostic interpretation of 10 billion years of cosmic evolution traced by BOSS and eBOSS data

S. Brieden, Héctor Gil-Marín+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 116被引用 73

一句话总结

本文对跨度达100亿年宇宙演化的BOSS和eBOSS数据进行了模型无关分析，无需假设特定宇宙学模型，即可提取声子振荡（BAO）、红移空间畸变（RSD）及功率谱形状参数。该方法仅使用光谱大尺度结构数据，实现了迄今为止最精确的模型无关约束，得到 h = 0.6816 ± 0.0067，Ωm = 0.3001 ± 0.0057，以及 10⁹×As = 2.43 ± 0.20，前提为平坦ΛCDM模型并施加BBN先验。

ABSTRACT

We present the first model-agnostic analysis of the complete set of Sloan Digital Sky Survey III (BOSS) and -IV (eBOSS) catalogues of luminous red galaxy and quasar clustering in the redshift range $0.2\leq z \leq 2.2$ (10 billion years of cosmic evolution), which consistently includes the baryon acoustic oscillations (BAO), redshift space distortions (RSD) and the shape of the transfer function signatures, from pre- and post-reconstructed catalogues in Fourier space. This approach complements the standard analyses techniques which only focus on the BAO and RSD signatures, and the full-modeling approaches which assume a specific underlying cosmology model to perform the analysis. These model-independent results can then easily be interpreted in the context of the cosmological model of choice. In particular, when combined with $z>2.1$ Ly-$\alpha$ BAO measurements, the clustering BAO, RSD and {\it Shape} parameters can be interpreted within a flat-$\Lambda$CDM model yielding $h=0.6816\pm0.0067$, $\Omega_{ m m}=0.3001\pm0.0057$ and $10^{9} imes A_s= 2.43\pm0.20$ (or $\sigma_8=0.858\pm0.036$) with a Big Bang Nucleosynthesis prior on the baryon density. Without any external dataset, the BOSS and eBOSS data alone imply $\Omega_{ m m}=0.2971\pm 0.0061$ and $10^{9} imes A_s=2.39^{+0.24}_{-0.43}$ (or $\sigma_8=0.857\pm0.040$). For models beyond $\Lambda$CDM, eBOSS data alone (in combination with Planck) constrain the sum of neutrino mass to be $\Sigma m_ u< 0.40$ eV with a BBN prior ($\Sigma m_ u <0.082$ eV) at 95\% CL, the curvature energy density to $\Omega_\mathrm{k} = -0.022_{-0.038}^{+0.032}$ ($\Omega_\mathrm{k} = 0.0015\pm 0.0016$) and the dark energy equation of state parameter to $w=-0.998_{-0.073}^{+0.085}$ ($w=-1.093_{-0.044}^{+0.048}$) at 68\% CL without a BBN prior.

研究动机与目标

• 利用完整BOSS和eBOSS在 0.2 ≤ z ≤ 2.2 范围内的聚类数据，提供对宇宙演化的模型无关约束。
• 独立于任何假设的宇宙学模型，提取BAO、RSD与功率谱形状参数。
• 通过结合压缩技术的稳健性与宽带形状拟合的信息量，改进经典压缩与全建模方法。
• 使结果可直接在任意选择的宇宙学模型中解释，包括ΛCDM扩展模型。
• 仅使用光谱大尺度结构数据，提供迄今为止最紧致的模型无关约束。

提出的方法

• 将预重建与后重建的功率谱多极矩压缩为三个物理可观测量：BAO缩放参数（α∥, α⊥）、RSD增长速率（fσs8）以及来自宽带功率谱的拟经验形状参数（m）。
• 应用ShapeFit压缩技术，从大尺度功率谱中提取形状信息，优于固定模板方法，并接近全建模性能。
• 应用重建以增强BAO信噪比，且在正确协方差建模下包含后重建功率谱。
• 采用数值方法去除BAO振荡，以确保在不同宇宙学模型下形状参数估计的一致性。
• 通过合成星系模拟验证方法，评估系统误差并确保稳健性。
• 结果在标准ΛCDM与扩展模型（如非零中微子质量、曲率、时变暗能量）中进行解释，仅在必要时施加先验。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从BOSS和eBOSS聚类数据中以模型无关方式提取BAO、RSD与宽带功率谱形状？
• RQ2 仅使用光谱大尺度结构数据，最精确的模型无关宇宙学参数约束为何？
• RQ3 BAO、RSD与形状参数在100亿年宇宙历史中如何演化？
• RQ4 该模型无关方法的结果与官方BOSS/eBOSS分析及全建模分析的符合程度如何？
• RQ5 当从该模型无关框架出发时，对ΛCDM扩展（如非零中微子质量、曲率、时变暗能量）的约束为何？

主要发现

• 在平坦ΛCDM模型下并施加baryon密度的BBN先验，模型无关分析得到 h = 0.6816 ± 0.0067，Ωm = 0.3001 ± 0.0057，以及 10⁹×As = 2.43 ± 0.20。
• 在无外部数据情况下，仅BOSS与eBOSS即可约束 Ωm = 0.2971 ± 0.0061 与 10⁹×As = 2.39+0.24−0.43（或 σ8 = 0.857 ± 0.040）。
• 在Planck与BBN先验下，eBOSS数据约束中微子总质量为 Σmν < 0.40 eV（95% CL），若使用BBN先验则更紧，为 Σmν < 0.082 eV。
• 曲率能量密度被约束为 Ωk = −0.022+0.032−0.038（或 0.0015 ± 0.0016）（68% CL），暗能量状态方程为 w = −0.998+0.085−0.073（或 −1.093+0.048−0.044）（68% CL）。
• 对合成模拟的系统性检查确认了方法的稳健性，残余系统误差远低于统计不确定性。
• 该方法迄今实现了仅使用光谱LSS数据的最紧致模型无关约束，优于经典压缩方法，并接近全建模精度。