[論文レビュー] Prospects of high redshift constraints on dark energy models with the Ep- Eiso correlation in long Gamma Ray Bursts

M. Demiański, E. Piedipalumbo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、193個の長短時刻ガンマ線バースト（GRBs）、Ia型超新星（SNe Ia）、および28件の直接的ハッブルパラメータ測定を組み合わせたハッブル図を用いて、高赤方偏移においてダークエネルギーのモデルを制約するため、長短時刻ガンマ線バースト（GRBs）におけるEp,i–Eiso相関の可能性を調査する。結果として、指数的ポテンシャルを有する最小結合型クインテッセンススカラー場が、CPLパラメータ化および初期ダークエネルギー（EDE）モデルよりもわずかに支持され、将来のGRB調査計画（例：THESEUS）によってダークエネルギーの進化に関する制約が著しく改善される見込みである。

ABSTRACT

So far large and different data sets revealed the accelerated expansion rate of the Universe, which is usually explained in terms of dark energy. The nature of dark energy is not yet known, and several models have been introduced: a non zero cosmological constant, a potential energy of some scalar field, effects related to the non homogeneous distribution of matter, or effects due to alternative theories of gravity. Recently, a tension with the flat {\Lambda}CDM model has been discovered using a high-redshift Hubble diagram of supernovae, quasars, and gamma-ray bursts. Here we use the Union2 type Ia supernovae (SNIa) and Gamma Ray Bursts (GRB) Hubble diagram, and a set of direct measurements of the Hubble parameter to explore different dark energy models. We use the Chevallier-Polarski- Linder (CPL) parametrization of the dark energy equation of state (EOS), a minimally coupled quintessence scalar field, and, finally, we consider models with dark energy at early times (EDE). We perform a statistical analysis based on the Markov chain Monte Carlo (MCMC) method, and explore the probability distributions of the cosmological parameters for each of the competing models. We apply the Akaike Information Criterion (AIC) to compare these models: our analysis indicates that an evolving dark energy, described by a scalar field with exponential potential seems to be favoured by observational data.

研究の動機と目的

• 長短時刻ガンマ線バースト（GRBs）におけるEp,i–Eiso相関が、高赤方偏移におけるダークエネルギーを探査するための宇宙論的距離指標として信頼できるかを検証すること。
• GRBs、SNe Ia、および直接的H(z)測定を組み合わせたハッブル図を用いて、CPLパラメータ化、最小結合型クインテッセンススカラー場、初期ダークエネルギー（EDE）といった競合するダークエネルギーモデルを比較すること。
• Akaike情報基準（AIC）を用いてこれらのモデルの統計的優位性を評価し、将来のミッション（例：THESEUS）の可能性を検討すること。

提案手法

• 赤方偏移の進化を考慮するため、Ep,i–Eiso相関にべき乗則的依存性を導入し、重力レンズ効果などの潜在的系制度を補正する。
• 193個の高赤方偏移GRBsのサンプルを用いて、局所回帰法を適用してEp,i–Eiso関係をキャリブレーションし、サブサンプルや代替キャリブレーション手法による一貫性の確認も行う。
• キャリブレーション済みのGRBハッブル図を、Union2のSNe Iaサンプルおよび宇宙時計計測から得られた28件の直接的H(z)測定と組み合わせ、宇宙論的パラメータを制約する。
• マーカフ連鎖モンテカルロ（MCMC）シミュレーションを用いて、モデルパラメータの完全な後方確率分布を計算する。
• モデルの性能を比較するために、Akaike情報基準（AIC）を適用し、適合度が良くかつパラメータ数の少ないモデルを優先する。
• 将来のTHESEUSミッションの感度および赤方偏移分布を想定し、772個および1500個のモックGRBサンプルをシミュレートして、将来の制約を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤方偏移の進化を考慮した上で、長短時刻ガンマ線バースト（GRBs）におけるEp,i–Eiso相関は、信頼できる高赤方偏移宇宙論的距離指標として使用可能か？
• RQ2 CPLパラメータ化、クインテッセンススカラー場、初期ダークエネルギー（EDE）のうち、組み合わせたGRB、SNe Ia、H(z)データから統計的に支持されるモデルはどれか？
• RQ3 将来のGRB調査（例：THESEUSミッション）によって、ダークエネルギーの状態方程式およびその進化に関する制約はどのように向上するか？
• RQ4 直接的H(z)測定の組み込みが、GRBsおよびSNe Iaと組み合わせた場合、宇宙論的パラメータ推定の精度をどの程度向上させるか？

主な発見

• べき乗則的赤方偏移依存性を用いてキャリブレーションした結果、Ep,i–Eiso相関には赤方偏移に伴う顕著な系制度的進化が認められず、高赤方偏移における頑健な距離指標としての使用が裏付けられる。
• 指数的ポテンシャルを有する最小結合型クインテッセンススカラー場が、CPLパラメータ化および初期ダークエネルギー（EDE）モデルよりも統計的に支持され、それぞれ∆AIC ≈ 5および∆AIC ≈ 9の差が得られた。
• THESEUSから予想される772個のモックGRBサンプルは、宇宙論的制約を著しく改善し、スカラー場モデルが好ましい候補であることを確認した。
• CPLモデルの「優位性指標（FoM）」は、モックサンプルサイズが772から1500に増加する際に2.5倍に増加し、将来の改善の大きな可能性を示している。
• 初期ダークエネルギー（EDE）モデルにおける減速パラメータq(z)は明確な進化を示し、z ≈ 2.5の周辺で最小値に達する。これは一時的な加速膨張期と整合的である。