[论文解读] Observational constraints on early dark energy

Evan McDonough, J. Colin Hill+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用 6

一句话总结

本文利用更新的普朗克CMB数据（PR3/PR4）和大尺度结构（LSS）探针，重新审视了早期暗能量（EDE）模型以解决哈勃常数张力问题。使用CAMSPEC和Hillipop似然函数，对EDE的约束更加严格，CMB+LSS联合数据在95%置信水平下给出f_EDE < 0.03，尽管EDE模型能够调和普朗克与SH0ES对H₀的测量结果，但贝叶斯分析强烈倾向于ΛCDM而非EDE。

ABSTRACT

We review and update constraints on the Early Dark Energy (EDE) model from cosmological data sets, in particular Planck PR3 and PR4 cosmic microwave background (CMB) data and large-scale structure (LSS) data sets including galaxy clustering and weak lensing data from the Dark Energy Survey, Subaru Hyper Suprime-Cam, and KiDS+VIKING-450, as well as BOSS/eBOSS galaxy clustering and Lyman-$α$ forest data. We detail the fit to CMB data, and perform the first analyses of EDE using the CAMSPEC and Hillipop likelihoods for Planck CMB data, rather than Plik, both of which yield a tighter upper bound on the allowed EDE fraction than that found with Plik. We then supplement CMB data with large-scale structure data in a series of new analyses. All these analyses are concordant in their Bayesian preference for $Λ$CDM over EDE, as indicated by marginalized posterior distributions. We perform a series of tests of the impact of priors in these results, and compare with frequentist analyses based on the profile likelihood, finding qualitative agreement with the Bayesian results. All these tests suggest prior volume effects are not a determining factor in analyses of EDE. This work provides both a review of existing constraints and several new analyses.

研究动机与目标

• 利用最新的普朗克CMB数据（PR3和PR4）及更新的似然函数，重新评估早期暗能量（EDE）模型的约束。
• 评估将CMB数据与大尺度结构（LSS）数据（如星系聚类、弱引力透镜、莱曼-α森林观测）结合后，对EDE参数约束的影响。
• 测试EDE约束对先验选择的鲁棒性，特别是针对SH0ES对H₀的测量结果以及先验体积效应的影响。
• 比较贝叶斯与频率学派方法（如轮廓似然）的差异，以判断ΛCDM对EDE的偏好是否由先验体积效应引起。
• 确定当前数据集是否具备足够的统计功效，检测f_EDE ≈ 0.1的EDE组分，该值是解决哈勃张力所必需的。

提出的方法

• 采用CAMSPEC和Hillipop似然函数处理普朗克CMB数据，其对f_EDE的上限约束比以往使用的Plik似然函数更紧。
• 使用嵌套采样进行贝叶斯参数估计，计算EDE与标准ΛCDM参数的边缘后验分布。
• 将普朗克CMB数据与来自DES、HSC、KiDS+VIKING-450（弱引力透镜）、BOSS/eBOSS（各向异性星系聚类与BAO）以及Lyman-α森林巡天（eBOSS、XQ-100）的大尺度结构数据结合。
• 对BOSS DR12数据应用基于有效场论（EFT）的似然函数，以更准确地建模星系聚类与BAO特征。
• 开展先验敏感性测试，包括将SH0ES对H₀的测量结果作为先验，以及对f_EDE设置下限f_EDE > 0.04，以评估模型的鲁棒性。
• 进行轮廓似然分析，与贝叶斯结果对比，并通过AIC评估模型选择，权衡拟合优度提升与参数数量增加之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 当使用更新的CAMSPEC和Hillipop似然函数处理普朗克CMB数据时，EDE组分f_EDE的最新约束是什么？
• RQ2 大尺度结构数据（弱引力透镜、星系聚类、Lyman-α森林）如何打破仅使用CMB数据时的参数退化，并进一步收紧对f_EDE的约束？
• RQ3 贝叶斯分析中对ΛCDM优于EDE的偏好是否源于先验体积效应，还是对不同先验选择具有鲁棒性？
• RQ4 当前CMB+LSS数据是否具备检测f_EDE ≈ 0.1的EDE组分的能力，该值是解决哈勃张力所必需的？
• RQ5 贝叶斯与频率学派模型比较方法（如AIC）在评估EDE与ΛCDM的证据方面是否一致？

主要发现

• 与Plik似然函数相比，CAMSPEC和Hillipop似然函数对普朗克CMB数据的处理，对f_EDE的上限约束更紧，显著缩小了允许的EDE组分范围。
• 将普朗克CMB数据与BOSS DR12星系聚类及S8数据结合，得到f_EDE < 0.0526（95%可信区间）的上限。
• 进一步引入DES、HSC和KiDS+VIKING-450的弱引力透镜数据，将约束收紧至f_EDE < 0.03（95%置信水平）。
• 加入eBOSS和XQ-100的Lyman-α森林数据，分别打破了f_EDE与ns之间的退化关系，得到f_EDE < 0.03（95%置信水平）和f_EDE < 0.04（95%置信水平）的约束。
• 所有分析均显示f_EDE的边缘后验分布单调递减，表明对ΛCDM的贝叶斯偏好强烈。
• 频率学派的轮廓似然分析确认了贝叶斯结果，表明AIC评分因EDE模型参数数增加而更倾向于ΛCDM，尽管χ²改善较小。