[論文レビュー] Do gamma-ray burst measurements provide a useful test of cosmological models?

Narayan Khadka, Orlando Luongo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 160被引用数 89

ひとこと要約

本研究では、8つのGRBデータセットをアマティ相関およびコンビ相関を用いて分析することで、ガンマ線バースト（GRB）測定値が宇宙論的モデルの信頼できるテストに使えるかどうかを評価する。GRBは他のプローブが到達できない高赤方偏移（z ≈ 9.4）の宇宙空間を探索可能であるが、現在のGRBデータは平坦なΛCDMモデルと整合的ではあるが、BAOおよびH(z)データに比べてはるかに弱い宇宙論的制約を与えることが判明した。

ABSTRACT

We study eight different gamma-ray burst (GRB) data sets to examine whether current GRB measurements -- that probe a largely unexplored part of cosmological redshift ($z$) space -- can be used to reliably constrain cosmological model parameters. We use three Amati-correlation samples and five Combo-correlation samples to simultaneously derive correlation and cosmological model parameter constraints. The intrinsic dispersion of each GRB data set is taken as a goodness measurement. We examine the consistency between the cosmological bounds from GRBs with those determined from better-established cosmological probes, such as baryonic acoustic oscillation (BAO) and Hubble parameter $H(z)$ measurements. We use the Markov chain Monte Carlo method implemented in extsc{MontePython} to find best-fit correlation and cosmological parameters, in six different cosmological models, for the eight GRB samples, alone or in conjunction with BAO and $H(z)$ data. For the Amati correlation case, we compile a data set of 118 bursts, the A118 sample, which is the largest -- about half of the total Amati-correlation GRBs -- current collection of GRBs suitable for constraining cosmological parameters. This updated GRB compilation has the smallest intrinsic dispersion of the three Amati-correlation GRB data sets we examined. We are unable to define a collection of reliable bursts for current Combo-correlation GRB data. Cosmological constraints determined from the A118 sample are consistent with -- but significantly weaker than -- those from BAO and $H(z)$ data. They also are consistent with the spatially-flat $\Lambda$CDM model as well as with dynamical dark energy models and non-spatially-flat models. Since GRBs probe a largely unexplored region of $z$, it is well worth acquiring more and better-quality burst data which will give a more definitive answer to the question of the title.

研究の動機と目的

• 現在のガンマ線バースト（GRB）測定値が、宇宙論的モデルのパラメータを信頼性高く制約できるかどうかを評価すること。
• BAOおよびH(z)測定値といった既知のプローブと比較して、GRBから得られる宇宙論的制約を評価すること。
• アマティ相関およびコンビ相関を用いて、特にA118サンプルを含む最も信頼性の高いGRBデータセットを収集・評価すること。
• GRBデータセットの固有分散を、データの良さと一貫性の指標として定量化すること。
• GRBが高赤方偏移（z > 2.3）領域において、有用な独立した宇宙論的モデルのテストに役立つかどうかを特定すること。

提案手法

• Montエーブル・モンテカルロ（MCMC）法をモンテピューロンを介して用い、相関パラメータと宇宙論的パラメータを同時に制約した。
• 3つのアマティ相関GRBサンプルと5つのコンビ相関サンプルを分析し、宇宙論的境界を導出した。
• 各GRBデータセットの固有分散を、データの信頼性を評価するためのフィットの良さの指標として扱った。
• GRBデータをBAOおよびH(z)測定値と組み合わせることで、パラメータの制約を改善した。
• 平坦でないΛCDMモデルやダイナミカルなダークエネルギーモデルを含む6つの宇宙論的モデルをテストした。
• A118サンプル（118個のGRB）を収集した。これは、これまでに得られた中で最大かつ最も一貫性のあるアマティ相関GRBデータセットであり、最小の固有分散を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRB測定値は、高赤方偏移（z > 2.3）領域において、信頼性があり独立した宇宙論的モデルのテストに使えるか？
• RQ2 GRBデータから得られる宇宙論的制約は、BAOおよびH(z)測定値と比べてどう異なるか？
• RQ3 アマティまたはコンビ相関を用いた宇宙論的パラメータ推定に適した一貫性があり信頼性の高いGRBデータセットは存在するか？
• RQ4 現在のGRBデータセットの固有分散はどの程度であり、それが宇宙論的制約にどのように影響するか？
• RQ5 GRBに基づく制約は、空間的に平坦なΛCDMモデルを支持するのか、それともダイナミカルなダークエネルギーおよび非平坦幾何学を許容するのか？

主な発見

• A118サンプル（118個のGRB）は、これまでに得られた中で最大かつ最も一貫性のあるアマティ相関GRBデータセットであり、解析した3つのアマティサンプルの中で最小の固有分散を示した。
• A118サンプルからの宇宙論的制約は、空間的に平坦なΛCDMモデルと整合的であるだけでなく、ダイナミカルなダークエネルギーおよび非平坦幾何学的モデルとも整合的である。
• GRBに基づく制約は、BAOおよびH(z)データに比べて顕著に弱く、赤方偏移空間のほとんどが未開拓の領域（z ≈ 9.4）を探索しているにもかかわらず、そのように弱い。
• 検討した5つのサンプルから、信頼性があり一貫性のあるコンビ相関GRBデータセットを構築できなかった。これは、これらの相関に高い散らばりや不整合があることを示している。
• A118サンプルの固有分散は0.27であり、これは、宇宙論的分析において相対的に低い散らばまりと高い信頼性を示している。
• 本研究の結論として、GRBは高赤方偏移宇宙論的プローブとしての可能性を秘めているが、明確な制約を得るためには、より高品質なデータが必要であるとされた。