[논문 리뷰] A new measurement of the expansion history of the Universe at z=1.26 with cosmic chronometers in VANDELS

Elena Tomasetti, M. Moresco외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 VANDELS 조사에서 유래한 39개의 거대하고 비활성 은하에 우주 시계 방법을 적용하여 적색편이 z ≈ 1.26에서 새로운 천체역학적 측정을 수행한다. 우주론적 사전 정보 없이 전체 스펙트럼 피팅을 통해 신뢰할 수 있는 별의 나이를 유도함으로써, 저자들은 H(z=1.26) = 135 ± 65 km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출한다. 이는 z > 1까지 우주 시계 방법의 타당성을 입증하며, 유라클과 같은 향후 대규모 조사에서의 잠재력을 드러낸다.

ABSTRACT

We derive a new constraint on the expansion history of the Universe by applying the cosmic chronometers method, studying the age evolution of high-redshift galaxies with a full-spectral-fitting approach. We select a sample of 39 massive ($log(M/M_\odot)>10.8$) and passive ($log(sSFR/yr^{-1})<-11$) galaxies from the data release 4 of the VANDELS survey at $1=0.28\pm0.02$ Gyr), low dust extinction ($=0.43\pm0.02$ mag), and sub-solar metallicities ($=0.44\pm0.01$). The ages show a decreasing trend with redshift compatible with a standard cosmological model, even if no cosmological constraint is assumed in the fit, and a clear mass-downsizing pattern. Testing the impact of the star formation history on the results, we find only a maximum 2\% fluctuation in age and metallicity. By fitting the median age-redshift relation with a flat $Λ$CDM model and assuming a Gaussian prior on $Ω_{M,0}= 0.3\pm0.02$ from late-Universe probes, we obtain $H_0=67_{-15}^{+14}\:km\:s^{-1}\:Mpc^{-1}$. In the end, we derive a new estimate of the Hubble parameter with the cosmic chronometers method, $H(z=1.26)=135\pm65\:km\:s^{-1}\:Mpc^{-1}$ including statistical and systematic errors. While the error budget is currently dominated by the scarcity of the sample, this work proves the potential strength of the cosmic chronometers approach up to $z>1$, especially in view of incoming large spectroscopic surveys like Euclid. (abridged)

연구 동기 및 목표

• 우주론적 가정 없이 고적색편이(z ≈ 1.26)에서 허블 파라미터를 측정하는 것.
• 고적색편이 비활성 은하에서 전체 스펙트럼 피팅을 통해 도출된 별의 나이 추정치의 신뢰성 테스트.
• 스펙트럼 특징과 물리적 파rameter 제약 조건을 사용하여 z ≈ 1.26에서 거대하고 비활성 은하에서 질량 감소의 증거를 조사하는 것.
• 다른 별 형성 역사 모델과 샘플 선택 기준에 따른 나이 및 허블 파라미터 추정치의 민감도 평가.
• 깊고 고품질의 분광 데이터를 사용하여 우주 시계 방법을 z ≈ 1을 초월해 확장하는 것이 가능한지 입증하는 것.

제안 방법

• 저자들은 VANDELS 조사에서 적색편이 범위 1 < z < 1.5 내에서, 병합된 광도 및 분광 기준을 사용하여, 질량이 크고 비활성인(로그(sSFR/년⁻¹) ≤ -11) 은하 39개를 선별함으로써, 별 형성 외부자기의 오염을 최소화한다.
• BAGPIPES 코드를 사용하여 스펙트럼과 광도를 동시에 분석함으로써, 나이, 금속성, 먼지 투과율, 별 형성 timescale 등의 은하 별 인구 특성을 전체 스펙트럼 피팅을 통해 유도하며, 나이에 우주론적 사전 정보를 적용하지 않는다.
• 표본을 적색편이 및 질량 구간으로 나누어 중앙값 나이를 계산하고, 이 중앙값 관계를 평탄한 ΛCDM 모델에 적합시키며, 파arameter의 혼동을 제거하기 위해 ΩM,0 = 0.30 ± 0.02에 가우시안 사전 확률을 적용한다.
• 우주 시계 방법을 중앙값 나이-적색편이 관계에 적용하여, 미분 나이 공식 H(z) = -1/(1+z) × dz/dt를 사용해 z ≈ 1.26에서 직접적으로 H(z)를 추정한다.
• 다른 별 형성 역사 모델(지연된 τ 및 이중 거듭제곱 법칙)을 비교하여 결과의 신뢰성 테스트를 수행하였으며, 물리적으로 타당한 제약 조건 하에서 나이 및 금속성의 중앙값 차이는 2% 미만이었다.
• H(z)의 체계적 불확실성은 구간 설정 방식을 변화시키고 더 복잡한 SFH 모델을 사용하여 평가되었으며, 통계적 오차가 최종 오차 예산의 주요 기여 요소였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적색편이 비활성 은성을 사용하여 우주 시계 방법이 z ≈ 1.26에서 허블 파라미터를 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ2 전체 스펙트럼 피팅을 통해 도출된 별의 나이가 우주론적 가정 없이도 적색편이와 일관된 나이 진화를 보이는가?
• RQ3 스펙트럼 특징과 나이 추정치에 의해 나타나는 바와 같이, z ≈ 1.26에서 거대하고 비활성 은성에서 질량 감소의 증거가 있는가?
• RQ4 별 형성 역사 모델의 선택에 따라 허블 파라미터와 나이 추정치는 얼마나 민감한가?
• RQ5 샘플 선택, 구간 설정, SFH 모델링에서 기인하는 체계적 불확실성은 최종 H(z) 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 39개의 거대하고 비활성 은성 표본은 적색편이에 따라 명확한 나이 진화를 보이며, 우주의 시간이 흐름에 따라 별의 나이가 감소함을 확인하여 인구의 예상되는 노화를 뒷받침한다.
• 표본의 중앙값 별 나이는 1.7⁺¹.⁵₋₀.⁹ Gyr이며, 중앙값 별 형성 timescale는 ⟨τ⟩ = 0.28 ± 0.02 Gyr, 낮은 먼지 투과율(⟨AV,dust⟩ = 0.43 ± 0.02 mag), 태양 금속성 이하의 금속성(⟨Z/Z☉⟩ = 0.44 ± 0.01)을 보이며, 다른 고적색편이 비활성 은성과 일치한다.
• 더 큰 질량의 은하(⟨log(M*/M☉)⟩ = 11.4)는 더 작은 질량의 은하(⟨log(M*/M☉)⟩ = 11.15)보다 약 0.8 Gyr 어린데, 이는 z ≈ 1.26에서 질량 감소의 강력한 증거를 제공한다.
• 다른 별 형성 역사 모델에 대해 나이 추정치는 매우 강건하며, 물리적으로 타당한 제약 조건 하에서 지연된 τ 및 이중 거듭제곱 법칙 SFH 간의 나이 및 금속성 중앙값 차이는 2% 미만이었다.
• z ≈ 1.26에서 허블 파라미터는 H(z=1.26) = 135 ± 65 km s⁻¹ Mpc⁻¹로 측정되었으며, 통계적 오차가 오차 예산의 주요 기여 요소였다.
• 중앙값 나이-적색편이 피팅에서 유도된 H₀ = 67⁺¹⁴₋₁⁵ km s⁻¹ Mpc⁻¹는 후기 우주 측정과 일치하며, 향후 고적색편이 천체역학에서 우주 시계 방법의 잠재력을 뒷받침한다.

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