[論文レビュー] Using lower-redshift, non-CMB, data to constrain the Hubble constant and other cosmological parameters

Shulei Cao, Bharat Ratra|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 73

ひとこと要約

本研究は、ハッブル定数、バリオン音響振動、Ia型超新星、Mg IIクェーサー、クェーサーの視角サイズ、H II銀河、およびアマティ相関付きガンマ爆発星を含む非CMB宇宙論的データの包括的で統合的な分析を用いて、宇宙論的パラメータを制約する。H₀ = 69.7 ± 1.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹ および Ωₘ₀ = 0.295 ± 0.017 が得られ、平坦なΛCDMモデルが最も支持されるが、やや弱いダークエネルギーのダイナミクスや空間曲率の可能性も残っている。

ABSTRACT

We use updated Hubble parameter and baryon acoustic oscillation data, as well as other lower-redshift Type Ia supernova, Mg II reverberation-measured quasar, quasar angular size, H II starburst galaxy, and Amati-correlated gamma-ray burst data, to jointly constrain cosmological parameters in six cosmological models. The joint analysis provides model-independent determinations of the Hubble constant, $H_0=69.7\pm1.2$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, and the current non-relativistic matter density parameter, $\Omega_{m0}=0.295\pm0.017$. These error bars are factors of 2.2 and 2.3 larger than the corresponding error bars in the flat $\Lambda$CDM model from Planck TT,TE,EE+lowE+lensing cosmic microwave background anisotropy data. Based on the deviance information criterion (DIC), the flat $\Lambda$CDM model is most favored but mild dark energy dynamics and a little spatial curvature are not ruled out.

研究の動機と目的

• 低赤方偏移の非CMB宇宙論的データを用いて、ハッブル定数H₀および物質密度Ωₘ₀に対するモデルに依存しない制約を提供すること。
• 平坦でないΛCDMモデル、ダイナミクスを持つダークエネルギーおよび空間曲率を伴うモデルの妥当性を検証すること。
• 更新されたH(z)およびBAOデータを組み込み、Mg IIクェーサーおよびA118ガンマ爆発星データを新たに含めることで、先行研究を改善すること。
• ニュートリノの取り扱いの精度向上が宇宙論的パラメータの制約に与える影響を評価すること。
• デヴァイアンス情報基準（DIC）を用いたモデル選択を通じて、複数の宇宙論的モデルを比較すること。

提案手法

• H(z)、BAO、SN Ia、QSO-AS、H II銀河、Mg IIクェーサー、A118アマティ相関付きGRBの7つのデータセットを統合したベイズ的分析を実施。
• 各データセットにおける固有の散乱および測定誤差を考慮した尤度フレームワークを用い、モデル依存の予測はハッブルパラメータH(z) = H₀ E(z)を介して計算。
• パラメータp（H₀、Ωₘ₀、Ωₖ₀、Ωₗ、およびモデルに応じた他のパラメータを含む）を用いて、膨張率関数E(z, p) = H(z, p)/H₀を定義。
• モデル比較にはデヴァイアンス情報基準（DIC）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遇。
• 自由パラメータを減らし、制約の精度を向上させるために、ニュートリノパラメータ（Neff = 3.046、∑mν = 0.06 eV）を固定。
• パラメータ空間の探索と事後分布の導出にマルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の低赤方偏移・非CMB宇宙論的プローブを統合した場合、H₀およびΩₘ₀に対するモデルに依存しない制約は何か？
• RQ2 Mg IIクェーサーおよびA118ガンマ爆発星の組み込みが、H₀およびΩₘ₀の精度および中央値にどのような影響を与えるか？
• RQ3 非CMBデータのみを用いた場合、平坦なΛCDMモデルは依然として支持されるのか？それとも、ダイナミクスを持つダークエネルギーまたは非ゼロの空間曲率のモデルが支持を受けるか？
• RQ4 更新されたH(z)およびBAOデータに加え、ニュートリノの取り扱いの改善が、以前の分析と比較して最終的な宇宙論的制約にどのように影響するか？
• RQ5 統合されたデータセットからの制約は、局所的測定（例：Riess et al. 2021）や中央値統計（Chen & Ratra 2011）とどの程度一致するか？

主な発見

• 統合的分析により、H₀ = 69.7 ± 1.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹ が得られ、これはRiess et al. (2021)の局所的測定よりもChen & Ratra (2011)の中央値統計とより整合的である。
• 物質密度パラメータはΩₘ₀ = 0.295 ± 0.017に制約され、データおよびモデリングの改善のおかげで、以前の分析と比較して1σ誤差が24%小さくなった。
• デヴァイアンス情報基準（DIC）によると、平坦なΛCDMモデルが最も支持されるが、やや弱いダークエネルギーのダイナミクスや小さな空間曲率は排除されない。
• Mg IIクェーサーおよびA118ガンマ爆発星の組み込みはH₀の制約を著しく改善しないが、Ωₘ₀の制約をより厳密にする。
• H₀の不確実性は、Planck TT,TE,EE+lowE+lensing CMB解析におけるものよりも2.2倍大きい。これは、非CMBデータのみではまだ同等の精度に達していないことを示唆している。
• ニュートリノの取り扱いの改善およびデータセットの更新により、以前の研究と比較してH₀の中央値がわずかに高くなり（0.42σ上昇）、Ωₘ₀の制約がより厳密になった。