[论文解读] Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters

Planck Collaboration, N. Aghanim+180 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 402被引用 3,576

一句话总结

本文基于完整任务的宇宙微波背景（CMB）温度与极化非均匀性数据，结合强引力透镜重建，提供了最终的普朗克2018年宇宙学参数约束。该研究以高精度确认了基础ΛCDM模型，得出H₀ = 67.4 ± 0.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹，σ₈ = 0.811 ± 0.006，τ = 0.054 ± 0.007，同时揭示了与本地H₀测量结果及部分大尺度结构数据之间的持续张力。

ABSTRACT

We present cosmological parameter results from the final full-mission Planck measurements of the CMB anisotropies. We find good consistency with the standard spatially-flat 6-parameter $\Lambda$CDM cosmology having a power-law spectrum of adiabatic scalar perturbations (denoted "base $\Lambda$CDM" in this paper), from polarization, temperature, and lensing, separately and in combination. A combined analysis gives dark matter density $\Omega_c h^2 = 0.120\pm 0.001$, baryon density $\Omega_b h^2 = 0.0224\pm 0.0001$, scalar spectral index $n_s = 0.965\pm 0.004$, and optical depth $ au = 0.054\pm 0.007$ (in this abstract we quote $68\,\%$ confidence regions on measured parameters and $95\,\%$ on upper limits). The angular acoustic scale is measured to $0.03\,\%$ precision, with $100 heta_*=1.0411\pm 0.0003$. These results are only weakly dependent on the cosmological model and remain stable, with somewhat increased errors, in many commonly considered extensions. Assuming the base-$\Lambda$CDM cosmology, the inferred late-Universe parameters are: Hubble constant $H_0 = (67.4\pm 0.5)$km/s/Mpc; matter density parameter $\Omega_m = 0.315\pm 0.007$; and matter fluctuation amplitude $\sigma_8 = 0.811\pm 0.006$. We find no compelling evidence for extensions to the base-$\Lambda$CDM model. Combining with BAO we constrain the effective extra relativistic degrees of freedom to be $N_{ m eff} = 2.99\pm 0.17$, and the neutrino mass is tightly constrained to $\sum m_ u< 0.12$eV. The CMB spectra continue to prefer higher lensing amplitudes than predicted in base -$\Lambda$CDM at over $2\,\sigma$, which pulls some parameters that affect the lensing amplitude away from the base-$\Lambda$CDM model; however, this is not supported by the lensing reconstruction or (in models that also change the background geometry) BAO data. (Abridged)

研究动机与目标

• 提供来自完整普朗克任务CMB数据集的最终、高精度宇宙学参数约束。
• 结合温度、极化与强引力透镜数据，检验基础ΛCDM模型的稳健性。
• 研究普朗克结果与外部数据集之间的张力，特别是本地H₀测量与DES星系聚类数据。
• 约束ΛCDM的扩展模型，包括暗能量、中微子质量、额外相对论性组分及原初非高斯性。
• 评估CMB数据在不同多极矩及强引力透镜重建中的一致性。

提出的方法

• 利用完整任务的普朗克温度与极化图（TT, TE, EE）数据，频率范围为30–2900 MHz，改进了低ℓ与高ℓ的似然函数。
• 采用Plik、CamSpec与低ℓ似然函数处理温度与极化功率谱，对光束函数与光束传输函数进行细致建模。
• 基于二次估计器与模拟校准，构建CMB强引力透镜似然函数，用于透镜势重建。
• 使用CosmoMC与MontePython框架，通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样进行联合贝叶斯参数估计。
• 通过基于网格与参数化的似然扫描测试模型扩展，包括w₀、wa、Neff、mν及原初张量-标量比r。
• 将普朗克数据与外部探针结合：BAO（如BOSS、SDSS）、Ia型超新星（Pantheon）及弱引力透镜（DES），以获得联合约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于完整普朗克CMB数据集，基础ΛCDM参数的最精确约束是什么？
• RQ2 普朗克的CMB测量与本地H₀测量相比如何？该张力的显著性如何？
• RQ3 普朗克数据在多大程度上支持ΛCDM的扩展，如非零中微子质量、额外相对论性组分或暗能量动力学？
• RQ4 是否存在偏离纯幂律原初标量谱或标准Neff = 3.046值的证据？
• RQ5 高ℓ与低ℓ CMB功率谱的一致性如何？强引力透镜重建揭示了哪些潜在系统效应？

主要发现

• 基础ΛCDM模型与普朗克数据高度一致，得出哈勃常数H₀ = 67.4 ± 0.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹，物质密度Ωₘ = 0.315 ± 0.007，σ₈ = 0.811 ± 0.006。
• 再电离光学深度测量为τ = 0.054 ± 0.007，得益于大尺度极化数据的增强，精度显著提升。
• 标量谱指数约束为ns = 0.965 ± 0.004，角声学尺度测量为100θ* = 1.0411 ± 0.0003，精度达0.03%。
• 有效相对论性组分数为Neff = 2.99 ± 0.17（含BAO），与标准模型预测的3.046一致。
• 中微子质量受到严格约束：∑mν < 0.12 eV（95%置信水平），无简并活性中微子存在的证据。
• 当与BAO及SNe数据联合时，暗能量状态方程为w₀ = −1.03 ± 0.03，与宇宙学常数一致。
• 与本地H₀测量（Riess et al. 2019）之间仍存在3.6σ的张力，且在普朗克数据范围内无简单模型扩展可解决此问题。
• 在普朗克基础-ΛCDM模型下，原初核合成（BBN）对氦与氘丰度的预测与观测结果高度一致。
• 未发现原初非高斯性、张量模式（r₀.₀₀₂ < 0.06）或质量型惰性中微子存在的证据。