[論文レビュー] The Hubble constant tension: current status and future perspectives through new cosmological probes

Maria Giovanna Dainotti, Biagio De Simone+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 14

ひとこと要約

この論文はH0張力を概観し、SNe IaとBAOを用いて赤方偏移に伴うH0の進化を分析し、修正重力やGRBs・QSOsの高-zプローブなどによる潜在的な解決策を論じる。

ABSTRACT

The Hubble constant ($H_0$) tension is one of the major open problems in modern cosmology. This tension is the discrepancy, ranging from 4 to 6 $σ$, between the $H_0$ value estimated locally with the combination of Supernovae Ia (SNe Ia) + Cepheids and the cosmological $H_0$ obtained through the study of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation. The approaches adopted in Dainotti et al. 2021 (ApJ) and Dainotti et al. 2022 (Galaxies) are introduced. Through a binning division of the Pantheon sample of SNe Ia (Scolnic et al. 2018), the value of $H_0$ has been estimated in each of the redshift-ordered bins and fitted with a function lowering with the redshift. The results show a decreasing trend of $H_0$ with redshift. If this is not due to astrophysical biases or residual redshift evolution of the SNe Ia parameters, it can be explained in light of modified gravity theories, e.g., the $f(R)$ scenarios. We also briefly describe the possible impact of high-$z$ probes on the Hubble constant tension, such as Gamma-ray bursts (GRBs) and Quasars (QSOs), reported in Dainotti et al. 2022 (Galaxies) and Lenart et al. 2022 (ApJ), respectively.

研究の動機と目的

• 宇宙論における中心的な未解決課題としてH0の不一致を動機づけ、データや新しい物理学から赤方偏移依存のH0が生じ得るか評価する。
• Pantheon SNe IaとBAOを用いてH0(z)の進化を調べ、赤方偏移の傾向を検証する。
• 実効的な赤方偏移依存H0を生み出し得る理論的枠組み（例：f(R)重力）を探る。
• 高赤方偏移の標準化可能なキャンドル（GRBs、QSOs）を用いて宇宙パラメータに情報を提供する可能性を評価する。
• 緊張を解消し得るバイアスと代替の宇宙論モデルについて論じる。

提案手法

• Pantheon SNe Iaサンプルを赤方偏移でビニングし、ΛCDMおよびw0-wa CDMの下で各ビンのH0を推定するためにMCMC解析を行う。
• ビン化したH0(z)をf(z)=H̃0/(1+z)^αでフィットし、Hubble定数の赤方偏移による進化を定量化する。
• 第II部ではBAOを含め、H0とΩmを変化させる; 3-bin分割でΛCDMとCPLパラメータ化を検証する。
• スケーリングされたアインシュタイン定数を介して実効的なH0の進化を生み得る、Jordanフレームのf(R)重力シナリオを説明する。
• 将来のH0とΩmの探査手段として、GRBとQSOの標準化関係（Dainottiらの2D相関; RL関係）を概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNe Iaデータを赤方偏移ビンで分析し、宇宙論パラメータで変化させた場合にH0の緊張が持続するか？
• RQ2 BAOデータを含めた場合、ΛCDMまたはCPLフレームワークでH0の赤方偏移進化（αで定量化される）が統計的に有意か？
• RQ3 修正重力理論（例：Jordanフレームのf(R)）は、他の宇宙論的制約と矛盾することなく、観測されたH0(z)の傾向を再現できるか？
• RQ4 GRBsやQSOsのような高赤方偏移の探査がΩmとH0の制約をどのように改善し、緊張を緩和する可能性があるか？

主な発見

• Pantheon SNe Iaデータで赤方偏移とともにH0が緩やかに減少する傾向を検出し、α ~ 数×10^-3〜10^-2はビニングとモデルに依存する。
• BAOを含めてパラメータを変化させると、ΛCDMではゼロ進化の有意性が低下する（α ≈ 0.008±0.006 in 3-bin, 1.2σ; CPLでは場合によりより大きな緊張を示す）。
• Jordanフレームのf(R)重力は、原理的にはエインシュタイン定数の再スケーリングを生み出しH0(z)進化を模倣することができるが、具体的なモデル（例：Hu-Sawicki）はこの傾向を完全には説明しない。
• Dainotti 2D関係とRL関係を介して、GRBsとQSOsはΩmを制約し、距離階層を高赤方偏移へ拡張する可能性を示し、2030年にはSNe Iaと同程度の精度に匹敵する可能性がある（GRBs）。
• 拡張探査を含むSNe Ia + BAOの結合解析は、重力モデルとデータの組み合わせに依存してH0の緊張が持続するか、あるいは変化する可能性を示唆する。