[論文レビュー] Gamma-Ray Bursts, Supernovae Ia and Baryon Acoustic Oscillations: a binned cosmological analysis

Maria Giovanna Dainotti, Giuseppe Sarracino+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 127被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、ガンマ爆発（GRBs）を基本平面相関を用いて結合し、超新星Ia（SNe Ia）および重力波の音響振動（BAOs）を、赤方偏移のビン化解析によって組み合わせることで、宇宙距離階層を z ≈ 5 まで拡張する。選択バイアスおよび赤方偏移の進化を補正することで、著者らはGRBsがSNe IaおよびBAOsと組み合わされると、H₀およびΩMの精度が著しく向上し、特に最高の赤方偏移ビンでプランク測定値との食い違いを最大40％まで低減することを示している。

ABSTRACT

Cosmological probes at any redshift are necessary to reconstruct consistently the cosmic history. Studying properly the tension on the Hubble constant, $H_0$, obtained by Supernovae Type Ia (SNe Ia) and the Planck measurements of the Cosmic Microwave Background Radiation would require complete samples of distance indicators at any epoch. Gamma-Ray Bursts (GRBs) are necessary for the aforementioned task because of their huge luminosity that allows us to extend the cosmic ladder at very high redshifts. However, using GRBs alone as standard candles is challenging because their luminosity varies widely. To this end, we choose a reliable correlation for GRBs with a very small intrinsic scatter: the so-called fundamental plane correlation for GRB afterglows corrected for selection biases and redshift evolution. We choose a well-defined sample: the platinum sample, composed of 50 Long GRBs. To further constrain cosmological parameters, we use Baryon Acoustic Oscillations (BAOs) given their reliability as standard rulers. Thus, we have applied GRBs, SNe Ia, and BAOs in a binned analysis in redshifts so that GRBs' contribution is fully included in the last redshift bin, which reaches $z=5$. We use the fundamental plane correlation together with SNe Ia and BAOs, to constrain $H_0$ and the density matter today, $\Omega_{M}$. This methodology allows us to assess the role of GRBs combined with SNe Ia and BAOs. We have obtained results for $H_0$ and $\Omega_{M}$ using GRBs+ SNe Ia+BAOs with better precision than the SNe Ia alone for every bin, thus confirming the beneficial role of BAOs and GRBs added together. In addition, consistent results between GRBs+ SNe Ia +BAOs are obtained when compared with the SNe Ia +BAOs, showing the importance of GRBs since the distance ladder is extended up to $z=5$ with a similar precision obtained with other probes without including the GRBs.

研究の動機と目的

• GRBsを標準標準光源として用いて、高赤方偏移（z ≈ 5）まで宇宙距離階層を拡張すること。
• SNe IaおよびBAOsと組み合わせたビン化された赤方偏移解析を通じて、GRBsの宇宙論的有用性を評価すること。
• 高赤方偏移のGRBデータを組み込むことで、局所的なSNe Ia／セフェイド距離測定とプランクCMBデータとの間のH₀の食い違いを低減すること。
• 選択バイアスおよび赤方偏移の進化を補正した上で、GRBsがH₀およびΩMの宇宙論的パラメータ制約に与える影響を評価すること。
• GRBsがBAOsと組み合わされると、SNe Iaと同等の精度を達成でき、高赤方偏移宇宙論を可能にすることを実証すること。

提案手法

• 選択バイアスおよび赤方偏移の進化を補正した、50個の長短続発ガンマ爆発（long GRBs）のプラチナムサンプルを、後発光度の基本平面相関を用いて使用する。
• 赤方偏移ビンごとの宇宙論的解析を実施し、GRBsは唯一、最高のビン（z ≈ 5）に貢献する。
• GRBデータをSNe IaおよびBAO測定と組み合わせ、共通尤度解析を用いてH₀およびΩMを制約する。
• 内部散乱を低減するために、Dainotti関係（T*ₐₗₗ 対 Lₓ）を用いてGRBの光度を補正する。
• 将来の精度の可能性を評価するために、プラチナム基本平面に1000個の合成GRBsを用いたシミュレーションを実施する。
• 次の式を用いて、局所的なH₀推定値とプランクCMB結果との間の食い違い指標（xᵢ）を計算する：xᵢ = (H₀,ᵢ − H₀,𝐶𝑀𝐵)/√(σ²_H₀,ᵢ + σ²_H₀,𝐶𝑀𝐵)。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基本平面を用いて校正されたGRBsは、z ≈ 5 で信頼できる宇宙論的距離指標として機能できるか？
• RQ2 SNe IaおよびBAOsにGRBsを追加すると、ビン化された赤方偏移解析におけるH₀およびΩMの制約精度にどのように影響するか？
• RQ3 GRBsを含めることで、プランクCMB測定値とのH₀の食い違いはどの程度低減されるか？
• RQ4 特に高赤方偏移ビンにおいて、GRBsを含めることでSNe IaおよびBAOsのみの場合と比較して、宇宙論的パラメータの制約精度が向上するか？
• RQ5 現在の不確実性を考慮した場合、将来のデータでGRBsが宇宙論的プローブとして期待される精度はどの程度か？

主な発見

• SNe IaおよびBAOsにGRBsを追加することで、全赤方偏移ビンにおけるH₀およびΩMの不確実性が低下し、特にビン5（z ≈ 5）で最大の改善が見られた。
• ビン5において、GRBsを含めるとプランクとのH₀の食い違いが40.0％減少した（SNe Iaのみの場合：x = 3.57、GRBsを含めた場合：x = 2.14）、すなわち差異が著しく低減された。
• H₀を単独で変動させた場合、GRBsを含めるとH₀の食い違いは16.7％低減された（SNe Iaのみ：x = 4.97、GRBsを含めた場合：x = 4.14）、一方H₀およびΩMを両方変動させた場合、1.4％の低減にとどまった。
• プラチナム基本平面に1000個の合成GRBsを用いたシミュレーションでは、ΩMの精度がσ(ΩM) = 0.077に達し、一部のSNe Iaのみのビンと同等の精度を示した。
• GRBsは、SNe IaおよびBAOsと組み合わせることで、z = 5まで同程度の精度で宇宙論的パラメータの推定が可能となり、距離階層の拡張におけるその役割を確認した。
• SNe Iaに比べて不確実性が高く、サンプルサイズも4分の1程度にとどまるものの、他のプローブと組み合わせることで、高赤方偏移宇宙論の制約が顕著に向上した。