[論文レビュー] Cosmology with gamma-ray bursts: II Cosmography challenges and cosmological scenarios for the accelerated Universe

M. Demiański, E. Piedipalumbo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2016

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 50被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、ガンマ線バースト（GRBs）、Ia型超新星（SNeIa）、バリオンアコースティックオシレーション（BAO）、およびハッブルパラメータ測定を用いて、第5次までの高赤方偏移宇宙計測分析を実施し、宇宙論的パラメータを制約する。1σの有意水準でΛCDMモデルからの逸脱の証拠が得られ、一般化されたPadé近似は、ダークエネルギーの状態方程式の制約を改善し、時間的に変化するダークエネルギーを示唆している。

ABSTRACT

Context. Explaining the accelerated expansion of the Universe is one of the fundamental challenges in physics today. Cosmography provides information about the evolution of the universe derived from measured distances, assuming only that the space time ge- ometry is described by the Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker metric, and adopting an approach that effectively uses only Taylor expansions of basic observables. Aims. We perform a high-redshift analysis to constrain the cosmographic expansion up to the fifth order. It is based on the Union2 type Ia supernovae data set, the gamma-ray burst Hubble diagram, a data set of 28 independent measurements of the Hubble param- eter, baryon acoustic oscillations measurements from galaxy clustering and the Lyman-α forest in the SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), and some Gaussian priors on h and ΩM . Methods. We performed a statistical analysis and explored the probability distributions of the cosmographic parameters. By building up their regions of confidence, we maximized our likelihood function using the Markov chain Monte Carlo method. Results. Our high-redshift analysis confirms that the expansion of the Universe currently accelerates; the estimation of the jerk parameter indicates a possible deviation from the standard ΛCDM cosmological model. Moreover, we investigate implications of our results for the reconstruction of the dark energy equation of state (EOS) by comparing the standard technique of cosmography with an alternative approach based on generalized Padé approximations of the same observables. Because these expansions converge better, is possible to improve the constraints on the cosmographic parameters and also on the dark matter EOS. Conclusions. The estimation of the jerk and the DE parameters indicates at 1σ a possible deviation from the ΛCDM cosmological model.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移データを用いて、標準ΛCDMモデルからの逸脱を焦点に、宇宙の膨張歴史を調査すること。
• 多様な観測データセットを用いて、第5次までの展開パラメータまでを含む宇宙計測の妥当性を検証すること。
• 標準的宇宙計測手法と一般化されたPadé近似を比較し、ダークエネルギーの性質に関する収束性とより厳しい制約を向上させること。
• 関数形に関する仮定を避けるモデルに依存しない技術を用いて、ダークエネルギー状態方程式（EOS）を再構築すること。
• 外部測定からのhおよびΩMに関するガウス的事前分布を組み込むことで、パラメータのデゲネラシーを解消すること。

提案手法

• 全事後確率分布の探索にマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用い、収束性と頑健性を保証する。
• 分析は、Union2 SNeIaのハッブル図、Ep,i–Eiso相関を介して校正されたGRBハッブル図、SDSS-III BOSSからのBAO測定、直接的なH(z)測定を統合する。
• 赤方偏移の第5次までのテイラー展開を用いて、距離距離dL(z)およびハッブルパラメータH(z)の宇宙計測パラメータを導出する。
• 距離およびハッブルレートに一般化されたPadé近似を適用し、特に高赤方偏移域において、標準テイラー級数よりも優れた収束性を示す。
• PadéパラメータをCPLパrametrization空間（w0, w1）に射影し、ダークエネルギーEOSの再構築とその時間的変化の評価を行う。
• 各MCMCステップでdL(z) > 0およびH(z) > 0を要求することで、物理的整合性を保証する制約を課す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第5次までの宇宙計測展開は、1σ信頼水準でΛCDMモデルからの有意な逸脱を示すか？
• RQ2 一般化されたPadé近似は、標準テイラー級数と比較して、宇宙計測パラメータ推定の正確性と収束性を向上させるか？
• RQ3 統合されたGRB、SNeIa、BAO、H(z)データは、ジェイクパラメータj0およびダークエネルギー状態方程式w0とw1にどのような制約を課すか？
• RQ4 ダークエネルギー状態方程式は定数値と整合的か、それとも時間的に変化するEOSがデータに支持されるか？
• RQ5 hおよびΩMに関するガウス的事前分布は、宇宙計測分析におけるデゲネラシーの解消と全体的なパラメータ制約にどのように影響するか？

主な発見

• 減速パラメータq0は、現在の宇宙膨張加速の段階を強く支持する統計的根拠を確認する。
• ジェイクパラメータj0は、ΛCDM予測のj0 = 1からの1σの逸脱を示唆し、非標準的力学の可能性を示唆する。
• 一般化されたPadé近似は、標準テイラー級数と比較して、より優れた収束性と、宇宙計測パラメータに対するより厳しい制約をもたらす。
• Padéに基づく分析による再構築されたダークエネルギー状態方程式は、時間的に変化するダークエネルギーを示し、最尤推定値としてw0 = -0.6149、w1 = 0.3293を示し、95%信頼区間はそれぞれ(-0.6180, -0.6118)および(0.325, 0.333)である。
• q0 > 0であることは非常に高い有意水準で除外され、現在の加速段階が強化される。
• Padéに基づく手法は、標準的宇宙計測と比較して、非定常的ダークエネルギーEOSの証拠をより強く示し、動的ダークエネルギーモデルを支持する。