[論文レビュー] Measuring $H_0$ from low-$z$ datasets

Xue Zhang, Qing-Guo Huang|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

Computational Physics and Python Applications被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、低赤方偏移データセット（パネソン超新星 Ia、BAO、トロポスフィック・アックォフ・パツィンス効果）を用いて、ΛCDM、wCDM、w₀wₐCDM モデルにおけるハッブル定数 $H_0$ を測定している。ΛCDM モデルでは $H_0 = 67.95^{+0.78}_{-1.03}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ を得ており、SH0ES 測定値との間に 3.75$\sigma$ の不一致を示しているが、動的ダークエネルギーモデルではこの不一致が顕著に緩和される。

ABSTRACT

Adopting the low-redshift observational datasets, including the Pantheon sample of Type Ia supernovae, baryon acoustic oscillation measurements, and the tomographic Alcock-Paczynski method, we determine the Hubble constant to be $67.95^{+0.78}_{-1.03}$ , $69.81^{+2.22}_{-2.70}$ and $66.75^{+3.42}_{-4.23}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ at 68\% confidence level in the $Λ$CDM, $w$CDM and $w_0w_a$CDM models, respectively. Compared to the Hubble constant given by Riess et al. in 2019, we conclude that the new physics beyond the standard $Λ$CDM model is needed if all of these datasets are reliable.

研究の動機と目的

• 低赤方偏移観測データを用いて、宇宙論的モデル依存性を低減する形でハッブル定数 $H_0$ を測定すること。
• 局所的測定（例：SH0ES）と CMB に基づくグローバルフィットとの間の $H_0$ 不一致が、$\Lambda$CDM モデルを拡張することで緩和されるかどうかを調査すること。
• パネソン＋BAO＋AP データを用いて、動的ダークエネルギーモデル（$w$CDM、$w_0w_a$CDM）が $H_0$ の制約に与える影響を評価すること。
• 高赤方偏移の事前分布に依存しない形で、低赤方偏移データのみを用いて $H_0$ をモデルに依存しない形で測定すること。
• 新しい物理（$\Lambda$CDM を超えるもの）が $H_0$ 不一致を解消するために必要かどうかを評価すること。

提案手法

• 低赤方偏移データセットを統合：パネソン超新星 Ia（1048 イベント、$0.01 < z < 2.3$）、6dFGS、MGS、BOSS DR12、eBOSS DR14 ダイヤモンド、eBOSS DR14 リャン・アルファからの BAO 測定。
• BOSS DR12 の銀河（$0.15 < z < 0.693$）を用いたトロポスフィック・アックォフ・パツィンス（AP）法を導入し、幾何学的構造と膨張歴史を制約する。
• 全パラメータのフィットに $\chi^2_{\text{total}} = \chi^2_{\text{Pantheon}} + \chi^2_{\text{BAO}} + \chi^2_{\text{AP}}$ を用いたグローバル尤度解析を実施。
• パrameter 推定のために CosmoMC を用い、$\Lambda$CDM、$w$CDM、$w_0w_a$CDM モデルでマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプルを生成。
• $\Omega_b h^2 = 0.02236$ をファイドシャルとして固定し、感度テストにより結果に与える影響が最小であることを確認。
• パラメータの事後分布をマージナライズして、各モデルにおける 68% 確信区間での $H_0$ 制約を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な $\Lambda$CDM モデルにおいて、低赤方偏移の超新星 Ia、BAO、AP データのみで制約された $H_0$ の値は何か？
• RQ2 $w$CDM および $w_0w_a$CDM モデルに拡張した場合、SH0ES 測定値との $H_0$ 不一致はどのように変化するか？
• RQ3 動的ダークエネルギーモデルは、局所的測定と CMB に基づく測定との間の $H_0$ 不一致をどの程度緩和できるか？
• RQ4 同じ低赤方偏移データセットを用いた場合、異なるダークエネルギーパラメータ化における $H_0$ の不確実性はどのように変化するか？
• RQ5 $H_0$ 不一致はモデルの拡張に対して頑健であるか、それともより一般的な宇宙論的モデルでは消えるか？

主な発見

• ΛCDM モデルにおいて、$H_0 = 67.95^{+0.78}_{-1.03}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ であり、1.3% の精度で得られた。これはパネソン＋BAO＋AP データセットからの推定である。
• この ΛCDM 結果は、$H_0 = 74.03 \pm 1.42$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ の SH0ES 測定値と 3.75$\sigma$ の不一致を示している。
• wCDM モデルでは、$H_0 = 69.81^{+2.22}_{-2.70}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ であり、3.5% の精度で、$H_0$ 不一致が顕著に緩和されている。
• w₀wₐCDM モデルでは、$H_0 = 66.75^{+3.42}_{-4.23}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ であり、5.7% の精度で、SH0ES との不一致がさらに減少している。
• $\chi^2_{\text{total}}$ の値は、ΛCDM で 1127.17、wCDM で 1127.79、w₀wₐCDM で 1126.03 であり、各モデルで良好なフィットが得られている。
• これらの結果は、$H_0$ 不一致を解消するためには、$\Lambda$CDM を超える新しい物理（例：動的ダークエネルギー）がおそらく必要であると考えられる。