[論文レビュー] $H_0=69.8\pm1.3$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, $Ω_{m0}=0.288\pm0.017$, and other constraints from lower-redshift, non-CMB, expansion-rate data

Shulei Cao, Bharat Ratra|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、低赤方偏移のCMBでない宇宙論的データ——Ia型超新星、バリオンアコースティックオシレーション、ハッブルパラメータ測定、クェーサーのリバーブレーションマッピング、ガンマ線バースト、H II銀河——を組み合わせ、宇宙論的パラメータを制約する。$H_0 = 69.8 \pm 1.3\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ および $\Omega_{m0} = 0.288 \pm 0.017$ を報告し、局所的距離ラダーによる $H_0$ 評価と整合性を示すが、プランクCMB結果より低く、宇宙定数を越えるダークエネルギーの動的性についての増大する証拠を示している。

ABSTRACT

We use updated Type Ia Pantheon+ supernova, baryon acoustic oscillation, and Hubble parameter (now also accounting for correlations) data, as well as new reverberation-measured C IV quasar data, and quasar angular size, H II starburst galaxy, reverberation-measured Mg II quasar, and Amati-correlated gamma-ray burst data to constrain cosmological parameters. We show that these data sets result in mutually consistent constraints and jointly use them to constrain cosmological parameters in six different spatially-flat and non-flat cosmological models. Our analysis provides summary model-independent determinations of two key cosmological parameters: the Hubble constant, $H_0=69.8\pm1.3$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, and the current non-relativistic matter density parameter, $Ω_{m0}=0.288\pm0.017$. Our summary error bars are 2.4 and 2.3 times those obtained using the flat $Λ$CDM model and Planck TT,TE,EE+lowE+lensing cosmic microwave background (CMB) anisotropy data. Our $H_0$ value is very consistent with that from the local expansion rate based on the Tip of the Red Giant Branch data, is 2$σ$ lower than that from the local expansion rate based on Type Ia supernova and Cepheid data, and is 2$σ$ higher than that in the flat $Λ$CDM model based on Planck TT,TE,EE+lowE+lensing CMB data. Our data compilation shows at most mild evidence for non-flat spatial hypersurfaces, but more significant evidence for dark energy dynamics, 2$σ$ or larger in the spatially-flat dynamical dark energy models we study.

研究の動機と目的

• プランクCMB結果との不一致を避けるために、低赤方偏移のCMBでない膨張率データを用いて宇宙論的パラメータの制約を導出すること。
• Ia型超新星、BAO、$H(z)$、クェーサー、GRB、H II銀河を含む多様な低赤方偏移プローブの整合性を検証すること。
• 標準的な平坦な $\Lambda$CDMモデルを越えて、ダークエネルギーの動的性および空間曲率の証拠を評価すること。
• CMBおよび局所的距離ラダーとは独立したデータを用いて、$H_0$ および $\Omega_{m0}$ のモデルに依存しない制約を提供すること。
• 更新されたデータ、$H(z)$ の相関、クェーサー測定における非対称誤差の取り扱いを組み込んだことで、先行研究を改善すること。

提案手法

• 118個のアマティ相関付きガンマ線バースト、リバーブレーションマッピングによるC IVおよびMg IIクェーサー、クェーサーの角度サイズ、星形成銀河H II、更新されたPantheon+ Ia型超新星およびBAOデータの包括的コンパイレーションを用いる。
• $H(z)$ 測定値間の相関を組み込み、リバーブレーションマッピングによるクェーサーの非対称誤差に対処する。
• ベイズ推論を用い、周辺化された後方分布と情報基準（DIC）を用いて、6つの空間平坦および非平坦な宇宙論的モデルを比較する。
• CMB事前分布への依存を減らすために、複数のデータセットにわたる連合尤度解析を用いてモデルに依存しない制約を実施する。
• 既存のプローブと矛盾するため、信頼性の低いデータ（例：QSOのフラックス測定、RM H$\beta$クェーサー）を除外する。
• DIC分析を実施し、モデルの好みを評価し、定常的ダークエネルギーまたは小さな曲率を持つモデルよりも平坦な $\phi$CDM を支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMBでない低赤方偏移の膨張率データから得られる、ハッブル定数 $H_0$ の最も整合性のある制約は何か？
• RQ2 CMB非依存データから得られる $\Omega_{m0}$ の制約は、プランクCMB非等方性データからのものとどのように比較できるか？
• RQ3 平坦および非平坦モデルにおいて、宇宙定数を越えるダークエネルギーの動的性に顕著な証拠はあるか？
• RQ4 統合された低赤方偏移データセットは互いに整合性を示し、非平坦幾何学を支持するか？
• RQ5 このデータ結合から得られる $H_0$ および $\Omega_{m0}$ の誤差範囲は、プランクCMBデータからのものとどのように比較できるか？

主な発見

• 連合解析により、$H_0 = 69.8 \pm 1.3\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ が得られ、これはCepheidに基づく局所的測定値（$73.04 \pm 1.04$）より2σ低く、プランクCMB値（$67.36 \pm 0.54$）より2σ高い。
• $\Omega_{m0} = 0.288 \pm 0.017$ であり、誤差範囲はプランクTT,TE,EE+lowE+lensing CMBデータの2.4倍大きい。
• データは非平坦幾何学について最大でわずかな証拠（オープンモデルでは最大1.3$\sigma$）を示すが、より強い証拠はダークエネルギーの動的性にあり、平坦な動的ダークエネルギーモデルでは2$\sigma$以上に達する。
• DIC分析により、HzBSNQMCAデータは平坦な $\phi$CDM を最も支持するが、定常的ダークエネルギーまたは小さな曲率を支持する証拠は弱いか、あるいは正である。
• $H(z)$ + BAO + SN Ia（HzBSN）セットにクェーサーおよびGRBデータを追加すると、誤差範囲が1.6–7.7%縮小し、$H_0$ は0.05$\sigma$未満にずれるにとどまるため、整合性と頑健性が示された。
• HzBSNQMCAデータからの制約は、CMBおよび局所的距離ラダーの校正（例：CepheidやTRGB）とは独立しており、モデルに依存しない性質を強化している。