[論文レビュー] An 8\% Determination of the Hubble Constant from localized Fast Radio Bursts

Qingwen Wu, G.Q. Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、18個の局所的フレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）を用いて、銀河間媒体の分散測定（DMIGM）-赤方偏移関係を活用してハッブル定数の新しい測定を提示する。H₀ = 68.81⁺⁴.⁹⁹₋⁴.³³ km s⁻¹ Mpc⁻¹（8%の不確実性）が得られ、100個の局所的FRBがあれば不確実性を2.6%まで低減できるとシミュレーションで示唆され、ハッブル・トランクルの解消への有望な道筋が示された。

ABSTRACT

The $Λ$CDM model successfully explains the majority of cosmological observations. However, the $Λ$CDM model is challenged by Hubble tension, a remarkable difference of Hubble constant $H_0$ between measurements from local probe and the prediction from Planck cosmic microwave background observations under $ Λ$CDM model. So one urgently needs new distance indicators to test the Hubble tension. Fast radio bursts (FRBs) are millisecond-duration pulses occurring at cosmological distances, which are attractive cosmological probes. However, there is a thorny problem that the dispersion measures (DMs) contributed by host galaxy and the inhomogeneities of intergalactic medium cannot be exactly determined from observations. Previous works assuming fixed values for them bring uncontrolled systematic error in analysis. A reasonable approach is to handle them as probability distributions extracted from cosmological simulations. Here we report a measurement of ${H_0} = 64.67^{+5.62}_{-4.66} { m \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$ using fourteen localized FRBs, with an uncertainty of 8.7\% at 68.3 per cent confidence. Thanks to the high event rate of FRBs and localization capability of radio telescopes (i.e., Australian Square Kilometre Array Pathfinder and Very Large Array), future observations of a reasonably sized sample ($\sim$100 localized FRBs) will provide a new way of measuring $H_0$ with a high precision ($\sim$2.6\%) to test the Hubble tension.

研究の動機と目的

• ハッブル定数を独立的かつ堅牢に測定するための新しい手法を開発し、ハッブル・トランクルを解決すること。
• DMIGM–赤方偏移関係を介して、局所的FRBを宇宙論的距離指標として活用すること。
• 宇宙論的シミュレーションから得た確率的分布を用いて、ホスト銀河および銀河間DMの寄与をモデル化することで、系統的誤差を最小限に抑えること。
• 将来の大規模なFRBサンプルを用いた高精度なH₀測定の可能性を実証すること。

提案手法

• 赤方偏移と観測分散測定（DMobs）が測定済みの18個の局所的FRBを用いる。
• DMobsをミルキーウェイ（DMMW）、ホスト銀河（DMhost）、銀河間媒体（DMIGM）の寄与に分解する。
• 系統的バイアスを低減するため、宇宙論的シミュレーションから得た確率的分布を用いてDMhostおよびDMIGMをモデル化する。
• ΛCDMフレームワーク下でDMIGM–z関係にフィットするように、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）解析を適用し、H₀を制約する。
• 将来の精度を予測するため、zに依存する分布f(z) ∝ z e⁻ᶻ に従って赤方偏移を抽出した100個のFRBをシミュレートする。
• Ωbh²およびΩmの事前分布からの誤差伝搬を用いて、系統的不確実性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的FRBは、統計的に信頼性が高く独立したH₀の測定を可能にするか？
• RQ2 局所的FRBの数が増加するにつれて、H₀の測定精度はどのように変化するか？
• RQ3 ホストおよび銀河間DM成分の不確実性が、H₀の制約にどの程度の影響を与えるか？
• RQ4 将来の大規模なFRBサンプルと組み合わせることで、FRBはハッブル・トランクルを解消できるか？
• RQ5 現在のモデリング手法を用いて、100個の局所的FRBでどの程度の精度に達成できるか？

主な発見

• 18個の局所的FRBの解析から、68.3%信頼区間でH₀ = 68.81⁺⁴.⁹⁹₋⁴.³³ km s⁻¹ Mpc⁻¹が得られ、不確実性は8%であった。
• DMIGM寄与率（fIGM）を変数として扱った場合、不確実性は9.6%に増加し、モデリングの仮定の重要性が裏付けられた。
• 100個の局所的FRBのシミュレーションでは、H₀の精度が2.6%に達すると予測され、セフェイド距離梯子と同等の精度に達する。
• Ωbh²およびΩmの事前分布からの系統的不確実性は約4.7%であり、統計的不確実性（8%）より小さいことが分かった。
• ミルキーウェイの星間媒体（ISM）モデル（YMW16対NE2001）の違いに対しても、この手法は安定しており、ISMモデリングの選択に依存しないことが示された。
• これらの結果は、FRBが将来の大規模なサンプルを用いてハッブル・トランクルを検証可能な、実用的で高精度な宇宙論的プローブである可能性を支持する。