[论文解读] Reduced Hubble Tension in Dark Radiation Models after DESI 2024

Itamar J. Allali, Alessio Notari+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2024

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

作者使用 Planck、Pantheon+、DESI 2024 BAO 和 BBN 先验约束两种简单暗辐射情景——自由流动和完美流体——并得到放宽的 ΔNeff 界限以及降低的 H0 张力；在 BBN 之后产生的 DR 与 SH0ES 结合时得到强烈的 DR 证据。

ABSTRACT

We investigate the presence of extra relativistic degrees of freedom in the early Universe, contributing to the effective number of neutrinos $N_ ext{eff}$, as $ΔN_ ext{eff}\equiv N_ ext{eff}-3.044\geq 0$, in light of the recent measurements of Baryon Acoustic Oscillations (BAO) by the DESI collaboration. We analyze one-parameter extensions of the $Λ$CDM model where dark radiation (DR) is free streaming or behaves as a perfect fluid, due to self-interactions. We report a significant relaxation of upper bounds on $ΔN_ ext{eff}$, with respect to previous BAO data from SDSS+6dFGS, when additionally employing Planck data (and supernovae data from Pantheon+), setting $ΔN_ ext{eff}\leq 0.39$ ($95\%$ C.L.) for free streaming DR, and a very mild preference for fluid DR, $ΔN_ ext{eff} = 0.221^{+0.088}_{-0.18}$ ($\leq 0.46$, $95\%$ C.L.). Applying constraints from primordial element abundances leads to slightly tighter constraints on $ΔN_ ext{eff}$, but they are avoided if DR is produced after Big Bang Nucleosynthesis (BBN). For fluid DR we estimate the tension with the SH$_0$ES determination of $H_0$ to be less than $3σ$ and as low as $2σ$, and for free-streaming DR the tension is below $3σ$ if production occurs after BBN. This lesser degree of tension motivates a combination with SH$_0$ES in these cases, resulting in a $4.4σ-5σ$ evidence for dark radiation with $ΔN_ ext{eff}\simeq 0.6$ and large improvements in $χ^2$ over $Λ$CDM, $-18\lesssim Δχ^2\lesssim -25$. Upcoming data releases by DESI and other CMB and LSS surveys will decisively confirm or disfavour this conclusion.

研究动机与目标

• 评估早期宇宙宇宙学中额外相对论自由度（ΔNeff）的存在性与约束。
• 在ΛCDM的一元扩展中比较两种 DR 实现——自由流动与完美流体。
• 结合 DESI 2024 BAO、Planck、Pantheon+ 和 BBN 元素丰度数据来约束 DR。
• 研究 DR 是否能缓解 H0 张力并评估相关的统计显著性。

提出的方法

• 将 DR 模型为额外的 ΔNeff，并具有自由流动或完美流体扰动行为（w = cs^2 = 1/3）。
• 使用 CLASS 求解宇宙学演化，并用 MontePython MCMC 抽样参数空间。
• 数据集：Planck 2018 (P18)、DESI BAO、Pantheon+ 超新星，以及可选的 +YHe、D/H 和 +H0。
• 将基线数据集 (P18+DESI+Pantheon+) 与仅 DESI 的备选项进行比较；报告 ΔNeff 和 H0 的后验。
• 使用高斯和基于后验的张力度量（GT 和 IT）评估与 SH0ES 的张力。
• 在不同 DR 实现和数据组合下，报告 ΔNeff 的 95% 置信上限以及 H0 张力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 DESI 2024 BAO 数据下，自由流动和流体暗辐射的 ΔNeff 更新约束是多少？
• RQ2 是否将 DESI 2024 BAO 数据纳入 ΛCDM+ΔNeff 情景能缓解 H0 张力？程度如何？
• RQ3 相对于 BBN 的 DR 产生情景（在前还是在后）如何影响 DR 的约束和 H0 张力？
• RQ4 BBN 之后产生的 DR 是否能在拟合方面给出相对于 ΛCDM 的统计显著改进？
• RQ5 在被 DESI 数据约束下，DR 模型与原始元素丰度的兼容性如何？

主要发现

• 与 SDSS+6dFGS 相比，DESI 2024 BAO 数据显著放宽两种 DR 实现的 ΔNeff 上限。
• 对于自由流动的 DR，在 Planck + Pantheon+ 下 ΔNeff < 0.39（95% C.L.）；DESI 使得 DR 的允许范围比以前的 BAO 数据更大。
• 对于流体 DR，在基线数据下偏后验峰值约在 ΔNeff ≈ 0.22（不确定性较大）被偏好。
• 在所有运行中，中微子部分仍接近标准值，∑mν ≲ 0.12–0.13 eV。
• BBN 之后产生的 DR 进一步降低张力，当与 SH0ES 结合时，可能显示出 DR 的 4.4σ–5σ 的证据，ΔNeff 约为 0.6，并对 ΛCDM 有显著的 χ² 改善。
• 该框架表明，在最小的一元扩展下，BBN 之后产生的 DR 能使较高的 H0 与宇宙数据相协调。
• D-term：在不含 SH0ES 约束的情况下，H0 张力降至约 2.3–2.8σ；若加入 SH0ES，取决于 DR 类型，张力变得非常显著（约 5σ）。
• S8 的后验与最近的弱透镜观测一致，保持与大尺度结构的一致性。