[论文解读] The $H_0$ Olympics: A fair ranking of proposed models

Nils Schöneberg, Guillermo Franco Abellán+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 14

一句话总结

本文采用统一的数据和度量标准，对17种旨在解决哈勃张力的宇宙学模型进行了系统性、数据驱动的对比分析。研究发现，早期暗能量（EDE）和新早期暗能量（NEDE）模型在当前数据下提供了最一致的拟合，特别是在结合普朗克CMB、BAO和潘多 supernova 数据时表现最佳，尽管它们未能解决相关的S8张力问题，并引发了关于宇宙年龄更年轻的担忧。

ABSTRACT

Despite the remarkable success of the $Λ$Cold Dark Matter ($Λ$CDM) cosmological model, a growing discrepancy has emerged (currently measured at the level of $\sim 4-6 σ$) between the value of the Hubble constant $H_0$ measured using the local distance ladder and the value inferred using the cosmic microwave background and galaxy surveys. While a vast array of $Λ$CDM extensions have been proposed to explain these discordant observations, understanding the (relative) success of these models in resolving the tension has proven difficult -- this is a direct consequence of the fact that each model has been subjected to differing, and typically incomplete, compilations of cosmological data. In this review, we attempt to make a systematic comparison of sixteen different models which have been proposed to resolve the $H_0$ tension (spanning both early- and late-Universe solutions), and quantify the relative success of each using a series of metrics and a vast array of data combinations. Owing to the timely appearance of this article, we refer to this contest as the ''$H_0$ Olympics''; the goal being to identify which of the proposed solutions, and more broadly which underlying mechanisms, are most likely to be responsible for explaining the observed discrepancy (should unaccounted for systematics not be the culprit). This work also establishes a foundation of tests which will allow the success of novel proposals to be meaningful ''benchmarked''.

研究动机与目标

• 建立一个公平、系统的基准框架，用于评估解决哈勃张力的模型。
• 使用一致的数据组合和统计度量，比较17种早期和晚期宇宙模型的相对成功程度。
• 识别哪些模型最能调和本地H₀测量值与来自CMB和BAO的早期宇宙约束。
• 评估是否存在任何模型能同时缓解H₀和S8张力。
• 评估模型性能在不同数据集（包括普朗克、WMAP、ACT、BAO和潘多）中的稳健性。

提出的方法

• 作者对17种模型应用统一的似然分析，使用相同的数据组合和统计度量以确保公平性。
• 他们在四个连续的数据轮次中测试模型：(A) 普朗克 + BAO 对比 SH0ES；(B) 增加潘多超新星数据；(C) 评估普朗克的作用；(D) 包含额外的数据集。
• 分析使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样计算后验分布和三角图以进行模型比较。
• 他们基于贝叶斯证据、Δχ²和贝叶斯证据比来量化相对成功程度。
• 该研究整合了多个CMB数据集（普朗克、WMAP、ACT）和早期宇宙探针（BBN、BAO、SNe）以测试稳健性。
• 他们评估模型对宇宙年龄的预测，并与观测到的135亿年老恒星年龄进行比较，以检验一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准化、公平的比较框架下，17种提出的模型中哪一种最能解决哈勃张力？
• RQ2 结果如何依赖于是否包含或排除普朗克CMB数据？这说明了什么关于模型稳健性的问题？
• RQ3 是否存在任何模型能同时缓解H₀和S8张力，还是它们之间存在此消彼长的关系？
• RQ4 通过改变声学视界来提高H₀的模型如何影响宇宙年龄的预测？这与老恒星观测结果是否一致？
• RQ5 替代早期宇宙数据（如WMAP、ACT、BBN）在约束解决H₀张力的模型中起什么作用？

主要发现

• 早期暗能量（EDE）和新早期暗能量（NEDE）模型在多种数据组合下表现出最强的统计支持，特别是在包含普朗克、BAO和潘多数据时。
• EDE和NEDE模型对数据拟合良好，将H₀张力降至接近零的残差水平，但未能解决S8张力。
• 当用BBN或WMAP/ACT数据替代普朗克数据时，对EDE和NEDE的偏好减弱，表明其对CMB数据选择敏感。
• 通过改变声学视界来提高H₀的模型预测宇宙年龄更小（tU ≈ 1/H0），其值低于ΛCDM的预测，与观测到的135亿年老恒星年龄存在张力。
• 马约论模型被视为潜在例外，因其与紫外完备理论相关，可能解决中微子质量和重子不对称性问题，但其在H₀拟合方面并未优于EDE/NEDE。
• 所研究的任何模型均未显著缓解S8张力；一些此前有希望的模型（如DM-DR和强相互作用中微子）现已被数据排除。