[論文レビュー] A doublet of cosmological models to challenge the H0 tension in the Pantheon Supernovae Ia catalog

B. De Simone, M. H. P. M. van Putten+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2024

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

この論文は Pantheon SN Ia データを用いて flat scale-invariant SCDM を ΛCDM と比較し、赤shift bin による H0 の傾向を検出して H0 緊張への影響を評価する。

ABSTRACT

$Λ$CDM provides a leading framework in the interpretation of modern cosmology. Nevertheless, the scientific community still struggles with many open problems in cosmology. Among the most noticeable ones, the tension in the Hubble constant $H_0$ is particularly intriguing, prompting a wide range of possible solutions. In the present work, the flat scale-free cosmology ($S$CDM) of Maeder (2017) is tested for $H_0$ tension in fits to the Pantheon sample of Supernovae Ia. The Pantheon sample is a collection of 1048 SNe Ia, which formally defines $H_0=H(0)$ by extrapolation to redshift zero of data over positive redshifts $z>0$. Here, we consider $H_{0,k}$ in fits of $S$CDM over $k$ equally sized bins of sub-samples of mean redshift $z_k$. To quantify a trend in $H_{0,k}$ with $z_k$, the results are fit by $f(z)=H'_0/(1+z)^α$ in the two parameters $H'_0$ and $α$. This approach tests for model imperfections or data biases by trends that are inconsistent with zero. Our findings show a decreasing trend inconsistent with zero at $5.3 σ$ significance, significantly more so than in $Λ$CDM. These results are further confirmed in Pantheon+. It appears that a solution to $H_0$ tension is to be found in models with a deceleration parameter $q_0

研究の動機と目的

• Pantheon SN Ia データを ΛCDM および SCDM の下で適合させたとき、H0 に赤shift依存の傾向があるかを評価する。
• f(z)=H0'/(1+z)^α という z 依存フィット関数を用いて H0,k に傾向があるかを定量化し、α の有意性を評価する。
• K=3,4,20,40 のビン数ごとに H0 傾向を比較して結果の頑健性を検証する。
• ΛCDM より q0 がより負になるモデルが H0 緊張をより良く解決するかを判断する。
• 観測された H0 傾向に基づき ΛCDM を超える宇宙論モデルを検討するための含意を論じる。

提案手法

• Pantheon SN Ia データを K 個の等サイズ赤shiftビンに分割する (K=3,4,20,40)。
• 最初のビン H0,1 を 73.5 km s−1 Mpc−1 に固定し、各ビンをフィットして H0,k を得る。
• 各モデルとビンの理論距離モジュール μth を計算し、総共分散 C を用いた χ^2 最小化を行う。
• bin-平均の H0,k を f(z)=H0′/(1+z)^α でフィットして H0′ と α を抽出する（α は傾向を診断する）。
• α/σα を評価して傾向の有意性を検討し、Δ% = |H0,K−H0,1|/sqrt(σH0,K^2+σH0,1^2) を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pantheon SN Ia データから抽出された H0 推定値は ΛCDM および SCDM の下で統計的に有意な赤shift 依存傾向を示すか。
• RQ2 異なるビンニング手法(K)間で頑健で一貫した傾向が見られるか（モデルの不完全さやデータバイアスを示すか）。
• RQ3 どのモデル(ΛCDM 対 SCDM) が赤方偏移で H0 の低下をより適切に説明するか、そしてこれが H0 線の解決に何を意味するか。
• RQ4 観測された減速パラメータ q0 の含意は、H0 緊張に対処する代替宇宙論にとって何を示唆するか。

主な発見

Model	H′0 ± σH′0	α ± σα	α/σ α	Δ%	M ± σM
ΛCDM	73.577±0.106	0.009±0.004	2.0	0.9	-19.245±0.006
SCDM	73.939±0.359	0.098±0.018	5.3	9.6	-19.212±0.005
ΛCDM	73.493±0.144	0.008±0.006	1.5	0.9	-19.246±0.008
SCDM	73.515±0.278	0.096±0.011	8.5	10.9	-19.291±0.007
ΛCDM	73.222±0.262	0.014±0.010	1.3	1.0	-19.262±0.014
SCDM	72.580±0.180	0.113±0.009	12.3	6.0	-19.258±0.018
ΛCDM	73.669±0.223	0.016±0.009	1.8	0.7	-19.250±0.021
SCDM	73.471±0.180	0.119±0.009	13.6	4.4	-19.234±0.023

• SCDM のもとでは α は 0 と矛盾して 5.3σ で有意であり、ビン数に関わらず有意性を保つ。
• Δ% は 3 ビンで 9.6%、4 ビンで 10.9%、より大きい K でも H0 の赤shift による顕著なドリフトを示す。
• ΛCDM のもとでは α は0と一致する（K に依存して約 1.5–2.0σ）、Pantheon データでは Δ% は約 0.9–1.0σ の範囲にとどまる。
• Table 1 は ΛCDM の H′0 ≈ 73.577±0.106 (3-bin)、α≈0.009±0.004 (α/σ≈2.0) を示し、SCDM の H′0 ≈ 73.939±0.359、α≈0.098±0.018 (α/σ≈5.3) を示す。
• K=20,40 の大きい k において、ΛCDM と SCDM の H′0 値は著しく異なり、SCDM は α を約0.113–0.119 とより急で、α/σ が ≥6.0 の値を示す。
• 結果は、H0 緊張を解決するには q0<q0,ΛCDM のようなモデルを支持する可能性があり、q0 がゼロに近い SCDM のようなモデルには不利であることを示唆する。