[論文レビュー] Quasar cosmology: dark energy evolution and spatial curvature

G. Bargiacchi, M. Benetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、クェザー（QSO）の明るさ関係とIa型超新星（SNe Ia）およびバリオンアコースティック振動（BAO）を組み合わせ、ダークエネルギーの進化と空間曲率を検証する。SNe+QSOデータは、$w_0 < -1$、$w_a > 0$ のペイホンダークエネルギー状況（$\Omega_{M,0} > 0.3$）を支持するが、BAOデータは平坦な$\Lambda$CDMを支持する。SNe+QSO+BAOの統合データは、標準的な$\Lambda$CDMモデルを2–3$\sigma$で拒否する。

ABSTRACT

We analyse some open debates in cosmology in light of the most updated quasar (QSO) sample, covering a wide redshift range up to $z\sim7.5$, combined with type Ia supernovae (SNe) and baryon acoustic oscillations (BAO). Indeed, extending the cosmological analyses with high-redshift data is key to distinguishing between different cosmological models that are degenerate at low redshifts, and allowing better constraints on a possible dark energy (DE) evolution. Also, we discuss combinations of BAO, SNe, and QSO data to understand their compatibility and implications for extensions of the standard cosmological model. Specifically, we consider a flat and non-flat $Λ\mathrm{CDM}$ cosmology, a flat and non-flat DE model with a constant DE equation of state parameter ($w$), and four flat DE models with variable $w$, namely the Chevallier-Polarski-Linder and Jassal-Bagla-Padmanabhan models, and an "exponential" and Barboza-Alcaniz parameterisations. We find that a joint analysis of QSO+SNe with BAO is only possible in the context of a flat Universe. Indeed BAO confirms the flatness condition assuming a curved geometry, whilst SNe+QSO show evidence of a closed space. We also find $Ω_{M,0}=0.3$ in all data sets assuming a flat $Λ\mathrm{CDM}$ model. Yet, all the other models show a statistically significant deviation at 2-3$σ$ with the combined SNe+QSO+BAO data set. In the models where DE density evolves with time, SNe+QSO+BAO data always prefer $Ω_{M,0}&gt;0.3$, $w_{0}&lt;-1$ and $w_{a}&gt;0$. This DE phantom behaviour is mainly driven by SNe+QSO, while BAO are closer to the flat $Λ\mathrm{CDM}$ model.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のクェザーを宇宙論的距離指標として用いて、標準的な平坦な$\Lambda$CDMモデルを検証すること。
• 空間曲率とダークエネルギーの進化を制約する際の、BAO、SNe Ia、QSOデータの間の不一致を調査すること。
• 時間的に変化するダークエネルギーを伴う拡張宇宙モデルにおいて、SNe+QSO+BAOデータの整合性を評価すること。
• 観測されたダークエネルギーの振る舞いが、高赤方偏移のQSOに起因するのか、低赤方偏移のBAOに起因するのかを特定すること。
• 非平坦かつ進化するダークエネルギーモデルにおける、$\Omega_{M,0} = 0.3$および$w_0 = -1$からの逸脱の統計的有意性を評価すること。

提案手法

• 非線形なUV-X線明るさ関係を用いた高赤方偏移QSOサンプル（$z \sim 7.5$まで）を用い、明るさ距離を推定する。
• QSOの距離推定値をSNe Iaのハッブル図とBAOのスケール測定値と組み合わせ、$z > 2$まで宇宙論的制約を拡張する。
• ベイズ的統計フレームワークを用いて、平坦／非平坦$\Lambda$CDM、$w$CDM、および時間的に変化する$w$モデル（CPL、JBP、指数関数的、BA）の複数のモデルにおいて宇宙論的パラメータをフィットする。
• 尤度解析を用いて、パラメータの制約と$\Lambda$CDMからの逸脱の統計的有意性を評価する。
• マージナライズド後確率分布と$\Delta\chi^2$比較を用いて、モデルの整合性と不一致を評価する。
• SNe+QSO+BAOデータセットの共同解析を実施し、データ結合における一貫性と系統的バイアスの特定を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移クェザーを宇宙論的解析に組み込むことで、標準的な平坦な$\Lambda$CDMモデルからの逸脱が明らかになるか？
• RQ2 SNe Ia、QSO、BAOデータは、空間曲率とダークエネルギーの進化をどの程度効果的に制約できるか？
• RQ3 $\Omega_{M,0}$および$w_0$の値における観測された不一致は、異なるデータの組み合わせや宇宙論的モデルにおいて一貫しているか？
• RQ4 SNe+QSO+BAOの統合データセットは、高精度で標準的な$\Lambda$CDMモデルを除外できるか？
• RQ5 非平坦かつ進化するダークエネルギーモデルにおいて、BAOデータはSNe+QSOの結果を調和させるか、あるいは矛盾を引き起こすか？

主な発見

• 平坦な$\Lambda$CDMモデルにおいて、$\Omega_{M,0} = 0.3$は、SNe+QSOおよびBAOを含むすべてのデータセットと整合的である。
• SNe+QSO+BAOの統合データセットは、すべての進化するダークエネルギーを伴うモデルにおいて、標準的な$\Lambda$CDMモデルを2–3$\sigma$の有意水準で拒否する。
• SNe+QSOデータのみでは、$w_0 < -1$かつ$w_a > 0$のペイホンダークエネルギー状況が支持され、時間経過とともに負の状態方程式が増大していることを示唆する。
• BAOデータのみでは、平坦な$\Lambda$CDMモデルと整合的であり、特に顕著な不一致は見られない（$\Omega_{M,0} \approx 0.3$、$w_a \approx 0$）。
• 非平坦モデルにおいては、BAOデータは空間の平坦性を確認するが、SNe+QSOデータは閉じた宇宙を示唆し、共同解析で不整合が生じる。
• 統合データセットにおける$\Omega_{M,0} = 0.3$および$w_a = 0$へのシフトは、主にBAOが標準モデルに向かって制約を引きずるためである。