[論文レビュー] Implications for the Hubble tension from the ages of the oldest astrophysical objects

Sunny Vagnozzi, Fabio Pacucci+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z ≈ 0 から z ≈ 8 の100個以上の古い天体物理学的対象物（OAOs）の年齢を用いて、ハッブル定数 H₀ を制約する。それぞれの赤方偏移におけるこれらの対象物よりも宇宙が古いかつていなければならないという制約を適用することで、95%信頼区間における H₀ の上限は H₀ < 73.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹ であることが導かれる。これは、局所的 H₀ 測定値とわずかに矛盾しており、ハッブル・テンションを解消するためには、再結合前後両方の新しい物理法則の組み合わせが必要である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We use the ages of old astrophysical objects (OAO) in the redshift range $0 \lesssim z \lesssim 8$ as stringent tests of the late-time cosmic expansion history. Since the age of the Universe at any redshift is inversely proportional to $H_0$, requiring that the Universe be older than the oldest objects it contains at any redshift, provides an upper limit on $H_0$. Using a combination of galaxies imaged from the CANDELS program and various high-$z$ quasars, we construct an age-redshift diagram of $\gtrsim 100$ OAO up to $z \sim 8$. Assuming the $Λ$CDM model at late times, we find the 95\% confidence level upper limit $H_0&lt;73.2\,{ m km}/{ m s}/{ m Mpc}$, in slight disagreement with a host of local $H_0$ measurements. Taken at face value, and assuming that the OAO ages are reliable, this suggests that ultimately a combination of pre- and post-recombination ($z \lesssim 10$) new physics might be required to reconcile cosmic ages with early-time and local $H_0$ measurements. In the context of the Hubble tension, our results motivate the study of either combined global pre- and post-recombination modifications to $Λ$CDM, or local new physics which only affects the local $H_0$ measurements.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移における古い天体物理学的対象物（OAOs）の年齢を用いて、ΛCDMモデルの後段階の整合性を検証すること。
• z ≲ 8 における宇宙の年齢制約から、モデルに依存しない H₀ の上限を導出すること。
• 初期時空と後段階の H₀ 測定値の差異（ハッブル・テンション）が、後段階または局所的な新しい物理法則によって解消可能かどうかを調査すること。
• 観測された OAO の年齢-赤方偏移関係が、標準 ΛCDM を超える修正を必要とする不整合性を示唆しているかどうかを評価すること。

提案手法

• CANDELS調査および赤方偏移 z ≈ 8 までの高赤方偏移クェーサーのデータを用いて、100個以上の OAO のカタログを構築すること。
• これらの OAO の観測年齢を測定し、それらを赤方偏移と関連付けて、年齢-赤方偏移図を構築すること。
• 宇宙の年齢 tU(z) とハッブルパラメータ H(z) の関係を表す積分関係式 tU(z) = ∫_z^∞ dz′ / [(1+z′)H(z′)] を用いること。
• 各赤方偏移において tU(z) ≥ t_observed(OAO) という制約を適用し、ΛCDM仮定のもとで H₀ の上限を導出すること。
• OAO 年齢推定値の不確実性を考慮して、ベイズ解析を用いて H₀ の95%信頼区間上限を計算すること。
• ビッグバンから OAO の形成までの間隔時間 τ_in（推定値 ~0.1 Gyr）を考慮することで、結果の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≲ 8 における観測された OAO よりも宇宙が古いかつていなければならないという条件から、H₀ の上限はどの程度導かれるか？
• RQ2 OAO の年齢-赤方偏移関係は、ΛCDM 内の後段階宇宙論的モデルをどの程度制約するか？
• RQ3 局所的 H₀ 測定値と年齢に基づく上限との差異は、系統誤差に起因するのか、それとも新しい物理法則の兆候であるのか？
• RQ4 観測された年齢制約は、後段階または局所的な修正によってハッブル・テンションを解消するモデルを排除または支持できるか？
• RQ5 τ_in は OAO の年齢を決定する上で果たす役割は何か？また、H₀ 制約に与える影響は？

主な発見

• 95%信頼区間における H₀ の上限は、z ≈ 8 までの OAO の年齢から導かれた結果として 73.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹ である。
• この上限は、通常 73.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹ を超える値を示す複数の局所的 H₀ 測定値とわずかな矛盾を示している。
• 年齢制約は、後段階の膨張歴に敏感であるため、z ≲ 10 における ΛCDM の検証に非常に強固なテストとなる。
• ハッブル・テンションを解消するには、再結合前後両方の新しい物理法則の組み合わせが必要である可能性を示唆している。
• この分析は、ΛCDM の全体的修正または局所的 H₀ 決定にのみ影響を与える新しい物理法則の導入が、必要であることを支持している。
• 本研究は、OAO の年齢が、現在の年齢制約に内在するデゲネラシーを解消するモデルに依存しない H₀ 探査手段であることを強調している。