[논문 리뷰] An 8\% Determination of the Hubble Constant from localized Fast Radio Bursts

Qingwen Wu, G.Q. Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 8인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 18개의 국소화된 빠른 은하간 폭발(FRBs)을 사용하여 새로운 허블 상수 측정을 제시한다. 은하간 매질의 디스퍼전 메이저(DMIGM)–적색이동 관계를 활용하여 H₀ = 68.81⁺⁴.⁹⁹₋⁴.³³ km s⁻¹ Mpc⁻¹로 도출하였으며, 이는 8%의 불확도를 가진다. 시뮬레이션 결과, 100개의 국소화된 FRB를 사용할 경우 불확도를 2.6%로 줄일 수 있으며, 이는 허블 긴장 문제를 해결하는 데 유망한 길을 제시한다.

ABSTRACT

The $Λ$CDM model successfully explains the majority of cosmological observations. However, the $Λ$CDM model is challenged by Hubble tension, a remarkable difference of Hubble constant $H_0$ between measurements from local probe and the prediction from Planck cosmic microwave background observations under $ Λ$CDM model. So one urgently needs new distance indicators to test the Hubble tension. Fast radio bursts (FRBs) are millisecond-duration pulses occurring at cosmological distances, which are attractive cosmological probes. However, there is a thorny problem that the dispersion measures (DMs) contributed by host galaxy and the inhomogeneities of intergalactic medium cannot be exactly determined from observations. Previous works assuming fixed values for them bring uncontrolled systematic error in analysis. A reasonable approach is to handle them as probability distributions extracted from cosmological simulations. Here we report a measurement of ${H_0} = 64.67^{+5.62}_{-4.66} { m \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$ using fourteen localized FRBs, with an uncertainty of 8.7\% at 68.3 per cent confidence. Thanks to the high event rate of FRBs and localization capability of radio telescopes (i.e., Australian Square Kilometre Array Pathfinder and Very Large Array), future observations of a reasonably sized sample ($\sim$100 localized FRBs) will provide a new way of measuring $H_0$ with a high precision ($\sim$2.6\%) to test the Hubble tension.

연구 동기 및 목표

• 허블 긴장을 해결하기 위해 독립적이고 강력한 H₀ 측정 방법을 개발한다.
• 국소화된 FRB를 은하간 매질의 디스퍼전 메이저(DMIGM)–적색이동 관계를 통해 천체거리 지표로 활용한다.
• 우주론적 시뮬레이션을 통해 주변 및 은하간 DM 기여도를 모델링하여 체계적 오차를 최소화한다.
• 미래의 대규모 샘플을 통해 FRB가 고정밀도 H₀ 측정 도구로 기능할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 측정된 적색이동과 관측된 디스퍼전 메이저(DMobs)를 가진 18개의 국소화된 FRB를 사용한다.
• DMobs를 은하수(DMMW), 주변 은하(_DMhost_), 및 은하간 매질(DMIGM)의 기여로 분해한다.
• 체계적 편향을 줄이기 위해 우주론적 시뮬레이션에서 유도된 확률 분포를 통해 DMhost 및 DMIGM을 모델링한다.
• ΛCDM 기반에서 DMIGM–z 관계를 피팅하기 위해 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 분석을 적용한다.
• 미래 정밀도를 예측하기 위해 적색이동 분포 f(z) ∝ z e⁻ᶻ 에 따라 샘플링된 100개의 FRB를 시뮬레이션한다.
• 오차 전파를 사용하여 Ωbh² 및 Ωm에 대한 사전 확률에 기인한 체계적 불확도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소화된 FRB는 통계적으로 신뢰할 수 있고 독립적인 H₀ 측정을 가능하게 하는가?
• RQ2 국소화된 FRB의 수가 늘어남에 따라 H₀ 측정 정밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 주변 및 은하간 DM 성분의 불확도는 H₀ 제약 조건에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 미래의 대규모 샘플과 함께 FRB는 허블 긴장을 해결할 수 있는가?
• RQ5 현재의 모델링 기법을 사용할 경우, 100개의 국소화된 FRB로는 어떤 정도의 정밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 18개의 국소화된 FRB 분석 결과, 68.3% 신뢰구간에서 H₀ = 68.81⁺⁴.⁹⁹₋⁴.³³ km s⁻¹ Mpc⁻¹로 도출되었으며, 이는 8%의 불확도에 해당한다.
• DMIGM의 기여 비율(fIGM)을 변수로 간주할 경우 불확도가 9.6%로 증가하여, 모델링 가정의 중요성을 확인한다.
• 100개의 국소화된 FRB를 시뮬레이션한 결과, H₀의 정밀도가 2.6%로 예측되었으며, 이는 셰퍼이드 기반의 거리 계단과 유사한 수준이다.
• Ωbh² 및 Ωm에 대한 사전 확률에 기인한 체계적 불확도는 약 4.7%로, 통계적 불확도(8%)보다 작다.
• 은하수의 간성간 매질 모델(예: YMW16 대비 NE2001)에 따라 달라지는 것을 고려해도 결과는 안정적이며, 이는 ISM 모델링 선택에 대해 안정적임을 시사한다.
• 결과는 향후 대규모 샘플을 통해 허블 긴장을 테스트할 수 있는 실현 가능하고 고정밀도 천체물리 측정 도구로서 FRB의 가능성을 뒷받침한다.