[論文レビュー] Constraints on Cosmological Models with Gamma-Ray Bursts in Cosmology-Independent Way

Hanbei Xie, Xiaodong Nong+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、221個の長短ガンマ線バースト（GRBs）と観測的ハッブルデータ（OHD）を用いて、ファイドカル・コスモロジーに依存しない方法でコスモロジカル・モデルを制約する手法を提示する。パネソン+ SNe Iaサンプルを用いたガウス過程回帰によるアマティ関係（Ep–Eiso相関）のキャリブレーションを通じて、平坦なΛCDMモデルにおいてΩm = 0.348⁺⁰.⁰⁴⁸₋⁰.⁰⁶⁶およびh = 0.680⁺⁰.⁰²⁹₋⁰.⁰²⁹が得られ、同時にフィッティングと低赤方偏移キャリブレーションと整合的であり、循環的問題を回避して高赤方偏移コスモロジーを可能にする。

ABSTRACT

In this paper, we present a cosmology-independent method to constrain cosmological models from the latest 221 gamma-ray bursts (GRBs) sample, including 49 GRBs from Fermi catalog with the Amati relation (the $E_{ m p}$-${E}_{ m iso}$ correlation), which are calibrated by using a Gaussian process from the Pantheon+ type Ia supernovae (SNe Ia) sample. With 182 GRBs at $0.8\le z\le8.2$ in the Hubble diagram and the latest observational Hubble data (OHD) by the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method, we obtained $Ω_{ m m}$ = $0.348^{+0.048}_{-0.066}$ and $h$ = $0.680^{+0.029}_{-0.029}$ for the flat $Λ$CDM model, and $Ω_{ m m}$ = $0.318^{+0.067}_{-0.059}$, $h$ = $0.704^{+0.055}_{-0.068}$, $w$ = $-1.21^{+0.32}_{-0.67}$ for the flat $w$CDM model. These results are consistent with those in which the coefficients of the Amati relation and the cosmological parameters fitted simultaneously.

研究の動機と目的

• ファイドカル・コスモロジー・モデル依存を回避することで、GRBに基づくコスモロジカル制約における循環的問題を克服すること。
• ガウス過程回帰を用いてSNe Iaデータを介して、モデルに依存しない方法でアマティ関係（Ep–Eiso相関）をキャリブレートすること。
• 高赤方偏移GRBs（z ≥ 0.8）と32点のOHDを用いて、コスモロジーに依存しないフレームワークでコスモロジカル・パラメータ（Ωm, h, w）を制約すること。
• コスモロジーに依存しないキャリブレーションとGRB関係およびコスモロジカル・モデルの同時フィッティングの間の結果の一貫性を検証すること。
• 将来のSVOMミッションのGRBデータ（より小さい散らばり）を用いた高精度な制約に備えること。

提案手法

• パネソン+ SNe Iaサンプルを用いたガウス過程回帰により、ファイドカル・モデル依存を回避する形でGRBのアマティ関係（Ep–Eiso相関）をキャリブレートする。
• キャリブレートされたアマティ関係を用いて、221個のGRBs（J221サンプル、z = 0.03から8.20）からなるGRBハッブル図を構築する。このうち49個はフェルミGRBsを含む。
• 宇宙年代計測器（cosmic chronometers）から得られる32点の観測的ハッブルデータ（OHD）を組み込み、パラメータ制約を改善する。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）を用いて、コスモロジカル・パラメータ（Ωm, h, w）とGRB関係パラメータ（a, b, σint）を同時に制約する。
• コスモロジーに依存しないキャリブレーションの結果と、GRB関係とコスモロジカル・パラメータの同時フィッティングの結果を比較する。
• ベジエパラメトリック曲線と補間技術を用いてハッブル定数の時間的変化をモデル化し、モデル依存性を排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNe Iaデータとガウス過程を用いて、コスモロジーに依存しない方法でGRBのアマティ関係をキャリブレートできるか？
• RQ2 ファイドカル・コスモロジーを仮定せずに、高赤方偏移GRBs（z ≥ 0.8）とOHDから得られるコスモロジカル制約（Ωm, h, w）は何か？
• RQ3 コスモロジーに依存しないGRBキャリブレーションによるコスモロジカル制約は、GRB関係とコスモロジカル・モデルの同時フィッティングによる結果とどのように一致するか？
• RQ4 GRBのアマティ関係は赤方偏移に伴い変化するものか？また、z > 8でも有効に保たれるか？
• RQ5 GRBsとOHDが、モデルに依存しないフレームワークで平坦なΛCDMおよびwCDMモデルをどの程度まで精密に制約できるか？

主な発見

• 平坦なΛCDMモデルにおいて、コスモロジーに依存しない手法により、182個のGRBs（z ≥ 0.8）と32個のOHDを用いて1σ信頼区間でΩm = 0.348⁺⁰.⁰⁴⁸₋⁰.⁰⁶⁶およびh = 0.680⁺⁰.⁰²⁹₋⁰.⁰²⁹が得られた。
• 平坦なwCDMモデルでは、同じGRBおよびOHDデータを用いてΩm = 0.318⁺⁰.⁰⁶⁷₋⁰.⁰⁵⁹、h = 0.704⁺⁰.⁰⁵⁵₋⁰.⁰⁶⁸、w = -1.21⁺⁰.³²₋⁰.⁶⁷（1σ）が得られた。
• コスモロジーに依存しないキャリブレーションによる結果は、GRB関係とコスモロジカル・パラメータの同時フィッティングによる結果と整合的である。
• アマティ関係の係数（a ≈ 52.87、b ≈ 1.45）および内在散らばり（σint ≈ 0.39）は、異なるキャリブレーション手法や赤方偏移範囲においても安定している。
• z ≥ 1.4の131個のGRBsを用いた場合、ΛCDMモデルにおいてΩm = 0.314⁺⁰.⁰⁴⁶₋⁰.⁰⁶³およびh = 0.681⁺⁰.⁰²⁹₋⁰.⁰²⁹が得られ、高赤方偏移領域でも安定性が確認された。
• Ωm、h、w、a、b、σintを同時にフィッティングした結果、Ωm = 0.395⁺⁰.⁰⁵⁴₋⁰.⁰⁷⁸、h = 0.651⁺⁰.⁰³⁰₋⁰.⁰³⁰、w = -0.97⁺⁰.⁶³₋⁰.³⁰が得られ、手法の信頼性が確認された。