[論文レビュー] Uncorrelated estimations of $H_0$ redshift evolution from DESI baryon acoustic oscillation observations

X. D. Jia, Jian-Ping Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2024

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非パラメトリック推定法と対角化された共分散行列を用いて、DESIの初年度のバリオンアコースティック振動（BAO）データを分析し、赤方偏移とともにHubble定数$H_0$に著しい8.6σの減少傾向が確認された。この結果は、動的なHubbleパラメータのダイナミクスを支持し、平坦な$\Lambda$CDMフレームワーク内でのHubble緊張問題の解決策を提示する。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) collaboration recently released the first year data of baryon acoustic oscillations (BAOs). Based on the five different tracers, the cosmological constraint shows a hint of deviation from the standard $Λ$CDM model. In this letter, we combine the DESI BAOs with other cosmic probes to constrain the evolution of Hubble constant as a function of redshift in the flat $Λ$CDM model. The non-parametric method is used to estimate the value of Hubble constant at different redshift bins. The correlation among different bins are removed by diagonalizing the covariance matrix. The joint data sample demonstrate a decreasing trend of Hubble constant with a significance of $6.4 σ$, which can naturally resolve the Hubble tension. To avoid statistical effects caused by the binning methods, we tested other three different binning methods and also found a decreasing trend. It may be due to dynamical dark energy or modified gravity.

研究の動機と目的

• 最新のDESIバリオンアコースティック振動（BAO）データを用いて、Hubble定数$H_0$の赤方偏移による進化を調査すること。
• 観測されたHubble緊張問題が、定数ではなく赤方偏移に依存する$H_0$によって解決可能かどうかを検証すること。
• 赤方偏移チャンク間の相関を排除する非パラメトリック手法を適用し、より信頼性の高い宇宙論的制約を得ること。
• DESI BAOデータを$H(z)$、Pantheon+ Ia型超新星、およびBAOデータと組み合わせ、$H_0(z)$の進化に対する制約を強化すること。
• 減少傾向である$H_0(z)$の統計的有意性を評価し、動的ダークエネルギーまたは修正重力理論モデルへの影響を検討すること。

提案手法

• 赤方偏移$z=0$から$z=2.4$までの9つの赤方偏移チャンクで$H_0$を非パラメトリック推定し、進化の形に対するパラメトリック仮定を回避する。
• 主成分分析（PCA）を用いて共分散行列を対角化し、異なる赤方偏移チャンクにおける$H_0$推定値間の相関を排除する。
• 5つのトレーサー（明るい銀河、ルミノスレッドギャラクシー、発光線銀河、クェーサー、Lyman-$\alpha$フォレスト）からのDESI初年度BAO測定値（$D_M/r_d$、$D_H/r_d$、$D_V/r_d$）を組み込む。
• 追加のデータを統合：宇宙計時計からの33件の$H(z)$測定、12件の古いBAO測定、およびPantheon+サンプルの1550件のIa型超新星。
• 減少傾向の有意性を数量化するため、帰無仮説検定を適用し、検定統計量$\chi^2_{\text{null}}$を用いる。
• すべてのBAO距離を、Planck 2020から得られたCMBによる音響ホライズン$r_d = 147.1$ Mpcで校正する。

Figure 1: Fitting results of $H_{0}(z)$ in nine redshift bins. Panel (a) shows the value of $H_{0}(z)$ as a function of redshift. There is a clear decreasing trend with $8.6\sigma$ significance between $z=0$ to $z=1.1$ . The green line gives $H_{0}=73.04\pm 1.04$ km s -1 Mpc -1 from the local distan

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新のDESI BAOデータによって制約された場合、Hubble定数は赤方偏移とともに測定可能な進化を示すか？
• RQ2 赤方偏移範囲$0 \leq z \leq 2.4$において、$H_0(z)$の減少傾向の統計的有意性は何か？
• RQ3 DESI初年度BAOデータの組み込みにより、$H_0(z)$の制約は過去の研究と比較してどの程度改善されるか？
• RQ4 観測された$H_0$の進化は、$\Lambda$CDMモデルを超える新しい物理を導入せずにHubble緊張問題を解決できるか？
• RQ5 Ia型超新星やBAOデータにおける系統的不確実性が、推定された$H_0(z)$の進化にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 赤方偏移とともに著しい$H_0$の減少傾向が観測され、統計的有意性は$8.6\sigma$に達する。
• 低赤方偏移域（$z \lesssim 0.1$）における$H_0$値は、局所的距離レジャーメジャーメント（$H_0 \approx 73.2$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）と$1\sigma$の範囲内で一致する。
• 高赤方偏移域（$z \approx 2.4$）における$H_0$値は、Planck 2020から得られたCMB由来の$H_0$（$H_0 \approx 67.4$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）と$1\sigma$の範囲内で一致する。
• DESI BAOデータは、過去の研究と比較して、高赤方偏移域における$H_0(z)$の制約を著しく強化し、不確実性を低減した。
• 対角化された共分散行列を用いた非パラメトリック手法は、チャンク間の相関を効果的に排除し、$H_0(z)$推定の信頼性を向上させた。
• Ia型超新星の系統的不確実性（ストレッチやセフェイド校正を含む）は、0.7 km s⁻¹ Mpc⁻¹未満であり、観測された$H_0$の進化を説明するには不十分である。

Figure 2: Corner plot of $H_{0,z}$ values in units of km s -1 Mpc -1 . The panels on the diagonal show the 1D posterior probability distribution for each parameter obtained by marginalizing over the other parameters. The off-diagonal panels show two-dimensional projections of the posterior probabili