[논문 리뷰] A doublet of cosmological models to challenge the H0 tension in the Pantheon Supernovae Ia catalog

B. De Simone, M. H. P. M. van Putten외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 5

한 줄 요약

논문은 Pantheon SN Ia 데이터를 활용하여 ΛCDM 대비 평면 스케일 불변 SCDM을 테스트하고, 붉은편이에 따른 bin으로 H0 경향을 탐지하며 H0 긴장에 대한 시사점을 평가한다.

ABSTRACT

$Λ$CDM provides a leading framework in the interpretation of modern cosmology. Nevertheless, the scientific community still struggles with many open problems in cosmology. Among the most noticeable ones, the tension in the Hubble constant $H_0$ is particularly intriguing, prompting a wide range of possible solutions. In the present work, the flat scale-free cosmology ($S$CDM) of Maeder (2017) is tested for $H_0$ tension in fits to the Pantheon sample of Supernovae Ia. The Pantheon sample is a collection of 1048 SNe Ia, which formally defines $H_0=H(0)$ by extrapolation to redshift zero of data over positive redshifts $z>0$. Here, we consider $H_{0,k}$ in fits of $S$CDM over $k$ equally sized bins of sub-samples of mean redshift $z_k$. To quantify a trend in $H_{0,k}$ with $z_k$, the results are fit by $f(z)=H'_0/(1+z)^α$ in the two parameters $H'_0$ and $α$. This approach tests for model imperfections or data biases by trends that are inconsistent with zero. Our findings show a decreasing trend inconsistent with zero at $5.3 σ$ significance, significantly more so than in $Λ$CDM. These results are further confirmed in Pantheon+. It appears that a solution to $H_0$ tension is to be found in models with a deceleration parameter $q_0

연구 동기 및 목표

• Pantheon SN Ia 데이터를 ΛCDM 및 SCDM 하에서 적합시켰을 때 H0에 붉은편이에 따른 경향이 통계적으로 나타나는지 평가한다.
• z-의존적 피팅 함수 f(z)=H0'/(1+z)^α를 사용하여 bin-평균 H0,k에서 경향의 존재를 정량화하고 α의 유의성을 평가한다.
• 다른 bin 수(K=3,4,20,40)에서 H0 경향을 비교하여 결과의 강건성을 테스트한다.
• ΛCDM보다 q0이 더 음의 모델이 H0 긴장을 더 잘 해결하는지 여부를 결정한다.
• 관찰된 H0 경향에 근거해 ΛCDM를 넘는 우주론 모델 탐구의 시사점을 논의한다.

제안 방법

• Pantheon SN Ia 데이터를 K개의 등크기 붉은편(bin)으로 분할(K=3,4,20,40).
• 첫 번째 빈의 H0,1을 73.5 km s−1 Mpc−1로 고정하고 각 빈에서 H0,k를 얻도록 피팅한다.
• 각 모델과 빈에 대해 이론적 거리 모듈러스 μth를 계산하고 전체 공분산 C를 이용한 χ^2 최소화를 수행한다.
• bin-평균 H0,k 값을 f(z)=H0′/(1+z)^α로 피팅하여 H0′와 α를 추출하고 α로 경향을 진단한다.
• 경향의 유의성을 평가하기 위해 α/σα를 평가하고 Δ% = |H0,K−H0,1|/sqrt(σH0,K^2+σH0,1^2)로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pantheon SN Ia 데이터에서 ΛCDM 및 SCDM 하에서 H0 추정치가 통계적으로 유의한 붉은편이 의존적 경향을 보이는가?
• RQ2 다른 binning 방식(K)에서 일관되고 강건한 경향이 나타나는가? 이는 모델의 불완전성 또는 데이터 편향을 시사하는가?
• RQ3 어떤 모델(ΛCDM 대 SCDM)이 적색편이에 따라 감소하는 H0를 더 잘 수용하는가, 그리고 이것이 H0 긴장 해결에 무엇을 시사하는가?
• RQ4 관찰된 deceleration 매개변수 q0의 시사점은 H0 긴장을 다루는 대안 우주론에 대해 무엇을 암시하는가?

주요 결과

Model	H′0 ± σH′0	α ± σα	α/σ α	Δ%	M ± σM
ΛCDM	73.577±0.106	0.009±0.004	2.0	0.9	-19.245±0.006
SCDM	73.939±0.359	0.098±0.018	5.3	9.6	-19.212±0.005
ΛCDM	73.493±0.144	0.008±0.006	1.5	0.9	-19.246±0.008
SCDM	73.515±0.278	0.096±0.011	8.5	10.9	-19.291±0.007
ΛCDM	73.222±0.262	0.014±0.010	1.3	1.0	-19.262±0.014
SCDM	72.580±0.180	0.113±0.009	12.3	6.0	-19.258±0.018
ΛCDM	73.669±0.223	0.016±0.009	1.8	0.7	-19.250±0.021
SCDM	73.471±0.180	0.119±0.009	13.6	4.4	-19.234±0.023

• SCDM 하에서 α는 3-bin에서 0으로부터의 차이가 5.3σ로 유의하며, bin 수에 관계없이 여전히 유의하다.
• Δ%는 3-bin에서 9.6%에서 시작하여 4-bin에서 10.9%로 증가하고 더 큰 K에서도 상당한 수준으로 남아 SCDM에서 붉은편이에 따른 H0 드리프트를 나타낸다.
• ΛCDM 하에서는 α가 0에 가까워 유의하지 않으며(≈1.5–2.0σ, K에 따라 다름) Δ%는 Pantheon 데이터에서 대략 0.9–1.0σ 수준으로 유지된다.
• Table 1은 ΛCDM H′0 ≈ 73.577±0.106 (3-bin), α≈0.009±0.004 (α/σ≈2.0); SCDM H′0 ≈ 73.939±0.359, α≈0.098±0.018 (α/σ≈5.3)을 보인다.
• 큰 k(K=20,40)에서는 ΛCDM과 SCDM의 H′0 값이 현저히 달라지며, SCDM은 α가 더 가파르고(≈0.113–0.119) α/σ가 더 크다(≥6.0).
• 결과는 H0 긴장을 해결하기 위해 q0<q0,ΛCDM인 모델이 q0가 0에 더 가까운 SCDM보다 바람직할 수 있음을 시사한다.