[論文レビュー] Model independent reconstruction of cosmological accelerated-decelerated phase

Salvatore Capozzıello, Peter K. S. Dunsby+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 46被引用数 62

ひとこと要約

本稿では、Hubble定数と減速パラメータのztrのまわりの展開を用いて、モデルに依存しない二つの宇宙論的手法を提示し、遷移赤方偏移(ztr)と等価赤方偏移(zeq)を再構築する。SN Ia、BAO、OHDデータを用いたモンテカルロフィットにより、ztr ≈ 0.57–1.02 および zeq ∈ [0.20, 0.62] が得られ、1σではΛCDM予測がわずかに支持されるが、2σではダークエネルギーの時間的変化が排除されない。これにより、代替のダークエネルギーモデルを制限するzeqの除外図が得られた。

ABSTRACT

We propose two model independent methods to obtain constraints on the transition and equivalence redshifts $z_{tr}$, $z_{eq}$. In particular, we consider $z_{tr}$ as the onset of cosmic acceleration, whereas $z_{eq}$ the redshift at which the densities of dark energy and pressureless matter are equated. With this prescription, we expand the Hubble and deceleration parameters up to two hierarchical orders and show a linear correlation between transition and equivalence, from which we propose exclusion plots where $z_{eq}$ is not allowed to span. To this end, we discuss how to build up cosmographic expansions in terms of $z_{tr}$ and compute the corresponding observable quantities directly fitting the luminosity and angular distances and the Hubble rate with cosmic data. We make our computations through Monte Carlo fits involving type Ia supernova, baryonic acoustic oscillation and Hubble most recent data catalogs. We show at $1\sigma$ confidence level the $\Lambda$CDM predictions on $z_{tr}$ and $z_{eq}$ are slightly confirmed, although at $2\sigma$ confidence level dark energy expectations cannot be excluded. Finally, we theoretically interpret our outcomes and discuss possible limitations of our overall approach.

研究の動機と目的

• 特定のダークエネルギーモデルを仮定せずに、宇宙の遷移(ztr)および等価(zeq)赤方偏移を再構築するモデルに依存しない手法の開発。
• Hubble定数および減速パラメータの宇宙論的展開を用いて、観測データがΛCDMパラダイムとどの程度整合するかをテストすること。
• ztrからの制約に基づいて、zeqの除外領域を導出し、ダークエネルギーモデルの区別を可能にすること。
• MCMCシミュレーションにおけるデゲネラシーと誤差バーの信頼性を分析することで、宇宙論的フィットの妥当性を評価すること。

提案手法

• ztrのまわりでHubble定数および減速パラメータq(z)をテイラー展開し、jerk（jtr）およびsnap（str）の項まで含めた2段階の階層的展開（jtrまでおよびstrまで）を用いる。
• パネスンSN Ia、BAO、OHDカタログの観測データを用いて、メトロポリス＝ハスティングス法を用いたマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）フィットを実行する。
• luminosity距離、angular距離、Hubble定数を、q(ztr) = 0を制約条件として用いて、宇宙論的展開を直接データにフィットする。
• 係数間の乗法的および加法的デゲネラシーを分析し、誤差バーの信頼性と系誤差を評価する。
• ztrの許容範囲に基づいて、zeqの除外領域を計算し、ΛCDMと時間変化するダークエネルギーの両モデルの妥当性を検証する。
• DHE（直接Hubble展開）およびDDPE（減速パラメータ展開）手法を用いて、異なるフィッティング戦略間での結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hubble定数および減速パラメータの宇宙論的展開を用いて、モデルに依存しない方法で遷移赤方偏移ztrと等価赤方偏移zeqを再構築できるか？
• RQ2 ztrおよびzeqの観測的制約は、1σおよび2σの信頼水準でΛCDM予測とどの程度一致するか？
• RQ3 測定されたztrと整合するzeqの除外領域は何か？ これらは時間変化するダークエネルギーモデルをどの程度制限するか？
• RQ4 宇宙論的係数間のデゲネラシーは、ztrおよびzeq推定の正確性にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 宇宙論的アプローチは、定数のコスモロジカル定数と時間的に変化するダークエネルギー成分を区別できるか？

主な発見

• ztrの再構築された推定値は、OHDデータのみで0.566+0.371−0.124、SN+OHD+BAOで0.651+0.025−0.158であり、後者はΛCDM予測とより良好に一致する。
• zeqは、SN+OHD+BAO（DHE）で[0.211, 0.406]、SN+OHD+BAO（DDPE）で[0.364, 0.621]に制限され、ΛCDMと整合的ではあるが、時間変化するダークエネルギーを排除しない。
• 1σ信頼水準では、ztrおよびH0のΛCDM予測がわずかに支持されるが、2σではΛCDMとの整合性が崩れ、乖離の可能性を示唆する。
• ztrにおける宇宙論的jerkおよびsnap係数は、1σ内でもΛCDM値と強く食い違うため、標準モデルとの緊張を示唆する。
• zeqの除外図は、zeqが取り得ない領域を示しており、ΛCDMと整合的であるが、時間変化するダークエネルギーを排除しない。
• 係数間のデゲネラシーが誤差バーの大きな要因であり、誤差バーは顕著に小さく見積もられていないため、不確実性推定が妥当であると示唆される。