[論文レビュー] Intermediate redshift calibration of Gamma-ray Bursts and cosmic constraints in non-flat cosmology

Orlando Luongo, Marco Muccino|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 78被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、中赤方偏移データを用いた長パルスガンマ爆発（GRBs）のモデルに依存しないキャリブレーションを提案し、Bézier多項式補間を用いてGRB距離指標における循環性問題を克服する。観測的ハッブルデータ（OHD）とバリオンアコースティックオシレーション（BAO）測定値を組み合わせることで、非平坦なΛCDMフレームワークにおいて物質密度（Ωm）と空間曲率（Ωk）といった宇宙論的パラメータを制約し、Planck結果や標準キャンドルとより整合性の高い、Ωmのよりきつい境界を得た。一方、H₀の不一致は解決しないままである。

ABSTRACT

We propose how to calibrate long gamma-ray burst (GRB) correlations employing intermediate redshift data sets, instead of limiting to $z\simeq0$ catalogs. To do so, we examine the most updated observational Hubble data (OHD) and baryonic acoustic oscillations (BAO). We exploit the model-independent technique of B\'ezier polynomial interpolation, alleviating de facto the well-known circularity problem affecting GRB correlations. To get constraints on cosmic parameters, using Markov chain Monte Carlo Metropolis algorithm, we distinguish the influence on BAO scale, $r_{ m s}$, Hubble constant $H_0$, luminosity distance $D_{ m L}(z)$ and spatial curvature $\Omega_k$. Inspired by the fact that a few 0.4$\%$ error on $r_{ m s}$ is got from Planck results, utterly small compared with current BAO measurement errors, we discern two main cases, namely $(r_{ m s}/r_{ m s}^{ m fid})=1$ and $(r_{ m s}/r_{ m s}^{ m fid}) eq1$. For each occurrence, we first fix and then leave free the Universe's spatial curvature. In all our treatments, we make use of the well-consolidated extit{Amati} correlation, furnishing tighter constraints on the mass density than previous literature. In particular, our findings turn out to be highly more compatible with those got, adopting the $\Lambda$CDM paradigm, with standard candle indicators. Finally, we critically re-examine the recent $H_0$ tension in view of our outcomes.

研究の動機と目的

• 低赤方偏移（z ≈ 0）カタログではなく中赤方偏移データを用いることで、GRB距離キャリブレーションにおける循環性問題を克服すること。
• OHDおよびBAOデータを用いて、Amati相関（Ep–Eiso）をモデルに依存しないBézier多項式補間技術でキャリブレーションすること。
• マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）法を用いて、空間的に平坦なΛCDMモデルと自由な空間曲率（Ωk）を有する非平坦拡張モデルをテストすること。
• GRBsがH₀の不一致を緩和し、特にΩmおよびΩkの宇宙論的パラメータの制約を、以前のGRBベースの研究と比較して改善できるかどうかを調査すること。

提案手法

• 特定の宇宙論的モデルを仮定せずに、OHDおよびBAOデータからHubbleパラメータH(z)および距離輝度距離D_L(z)をBézier多項式補間により再構築すること。
• GRB距離指標としてAmati相関（log(Ep) = a₀ + a₁·log(Eiso)）を用い、パラメータa₀、a₁および固有の散乱σ_exをBézier曲線を用いてキャリブレーションすること。
• OHDおよびBAOデータを同時に適合させるために、2つの独立したBézierパラメトリック曲線を適用し、H(z)およびD_L(z)のモデルに依存しない再構築を可能にするとともに、BAOスケールrsの情報も保持すること。
• BAO標準定規に関する異なる仮定の下で、比（rs / r_fid_s）を1または1でない値に固定し、制約のロバストネスをテストすること。
• メトロポリス法を用いたMCMC解析により、平坦および非平坦なΛCDMシナリオ下でΩm、Ωk、H₀、およびAmati相関パラメータを制約すること。
• 結果をPlanck 2018データと比較し、適合性を評価するとともに、GRBベースの宇宙論におけるH₀の不一致の状況を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中赤方偏移データを用いることで、z ≈ 0カタログと比較してGRB相関のキャリブレーションが改善され、モデル依存性が低減するか？
• RQ2 Bézier多項式補間は、GRB距離指標における循環性問題をどの程度緩和できるか？
• RQ3 非平坦なΛCDMモデルにおいて、GRBsから得られるΩmおよびΩkの制約は、Planck 2018結果とどの程度一致するか？
• RQ4 中赤方偏移GRBsの導入により、H₀の不一致は解消されるか、あるいは悪化するか？
• RQ5 以前のGRBベースの研究と比較して、GRBsは宇宙論的パラメータの制約をよりきつくできるか？

主な発見

• 物質密度Ωmは、1σ信頼水準で、以前のGRBベースの研究と比較して著しくきつい境界が得られ、Planck結果との整合性が向上した。
• r = 1（rs / r_fid_s = 1）の場合、最良適合のΩm ≈ 0.65–0.75は、空間的に平坦な場合のPlanck測定値と整合的であるが、r ≠ 1の場合はΩmの値が理論的期待値から外れる。
• 空間曲率Ωkは1σでも著しく制約が弱く、0にわずかに近い値にしかならず、中赤方偏移および高赤方偏移データだけではΩkをきつく束縛できないことが示された。
• Ωk ≠ 0を許容してもH₀の不一致は依然として残り、H₀の値はPlanck結果を上回る傾向にあり、GRBs単体ではこの不一致を解消できないことが示唆された。
• Bézierに基づくキャリブレーション手法は、特に中赤方偏移データを用いる場合、Amati相関パラメータ（a₀、a₁、σ_ex）の制約が、従来の手法よりもよりロバストで一貫性がある。
• 本研究は、中赤方偏移キャリブレーションが、特にΩmに関して、GRBsを宇宙論的距離指標としての信頼性を著しく向上させることを示したが、2σレベルでシステムティックな不確実性が依然として課題である。