[논문 리뷰] Cosmology-independent local determination of $H_0$ in strong tension with CMB

David Camarena, Valerio Marra|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 27.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 우주 거리 계단의 역방향 분석을 통해 우주론 모델에 의존하지 않는 허블 상수 $H_0$의 결정을 제시한다. 대규모 스케일의 균일성과 등방성에만 기반하며, $H_0^{ ext{loc}} = 75.66 \pm 1.69\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$를 도출하였으며, 이는 2.2%의 불확도를 가지며 플랑크의 표준 모델 CMB 결과와 4.7σ의 불일치를 보인다.

ABSTRACT

The determination of the Hubble constant $H_0$ from the well-understood physics of the Cosmic Microwave Background is in tension at $4.4\sigma$ with respect to the model-independent determination of $H_0$, which uses local supernovas calibrated via the cosmic distance ladder. Here, we present a new method to obtain the effective calibration prior on the absolute magnitude of Supernovas Ia by performing a backward analysis on the cosmic distance ladder, and we determine $H_0$ in a cosmology-independent way, assuming only large-scale homogeneity and isotropy. We find that $H_0^{ m loc} = 75.66 \pm 1.69 ext{ km s}^{-1} { m Mpc}^{-1}$, featuring the very low uncertainty of 2.2%, which is very close to the 1.9% error obtained by the SH0ES Collaboration. We also constrain the deceleration parameter to $q_0^{ m loc} = -1.08 \pm 0.29$, which clearly deviates from the standard-model value of $q_0 \simeq -0.55$. Our determination is in tension at $4.7\sigma$ with the latest results from the Planck Collaboration that assume the standard model of cosmology.

연구 동기 및 목표

• 대규모 스케일의 균일성과 등방성에만 기반하여 우주론 모델에 의존하지 않고 허블 상수 $H_0$를 결정하는 것.
• 지역 거리 계단 측정치와 플랑크의 CMB 기반 $H_0$ 값 간에 증가하는 불일치를 해결하는 것.
• 거리 계단의 역방향 분 析을 통해 타입 Ia 초신성의 절대 magnitude에 대한 효과적 캘리브레이션 사전분포를 유도하여 지역 $H_0$의 정밀도를 향상시키는 것.
• 우주론 모델에 의존하지 않고 지역 탈가속도 계수 $q_0$를 독립적으로 제약하는 것.
• 모델에 의존하지 않는 가정 하에 $H_0$ 불일치의 유의미성을 평가하는 것.

제안 방법

• 거리 계단의 역방향 분 析을 수행하여 타입 Ia 초신성의 절대 magnitude에 대한 효과적 캘리브레이션 사전분포를 도출하는 것.
• 허블 상수 결정에서 우주론 모델 의존성을 피하기 위해 대규모 스케일의 균일성과 등방성에만 기반하는 것.
• 거리 계단 프레임워크를 거꾸로 적용하여 지역 거리 측정치에서 초신성에 필요한 캘리브레이션을 추론하는 것.
• 지역 초신성 데이터와 캘리브레이션된 세페이드 거리 측정치를 조합하여 특정 우주론 모델을 가정하지 않고 $H_0$를 유도하는 것.
• 거리 계단 구성 요소의 불확도를 최종 $H_0$ 추정치로 전파하기 위해 통계적 추론을 적용하는 것.
• 지역 역학과 일관성을 유지하기 위해 평탄한 공간, 물질 우세 우주를 가정하여 동일한 지역 데이터에서 지역 탈가속도 계수 $q_0$를 계산하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 스케일의 균일성과 등방성에만 기반하여 우주론 모델에 의존하지 않고 허블 상수를 결정할 수 있는가?
• RQ2 효과적 캘리브레이션 사전분포를 갖는 거리 계단의 역방향 분 析를 통해 유도된 $H_0$의 정밀한 값은 무엇인가?
• RQ3 표준 우주론 모델 하에서 이 모델에 의존하지 않는 $H_0$와 플랑크의 CMB 기반 값 간의 불일치는 얼마나 유의미한가?
• RQ4 지역 탈가속도 계수 $q_0$의 값은 무엇이며, 표준 모델 예측값 $q_0 \approx -0.55$와 다를까?
• RQ5 지역 $H_0$ 결정의 불확도는 SH0ES 커플레션의 것과 비교해 볼 때 어느 정도인가?

주요 결과

• 우주론에 의존하지 않는 지역 $H_0$ 결정은 $75.66 \pm 1.69\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$를 도출하였으며, 정밀도는 2.2%이다.
• 이 결과는 표준 우주론 모델 하에서 플랑크 협력단의 CMB 기반 $H_0$ 값과 4.7σ의 불일치를 보인다.
• 지역 탈가속도 계수는 $q_0^{\text{loc}} = -1.08 \pm 0.29$로 제약되었으며, 이는 표준 모델 값 $q_0 \approx -0.55$와 유의미하게 다름을 보인다.
• $H_0$의 불확도는 SH0ES 커플레션과 유사하며, 2.2%로 그들의 1.9%와 유사하다.
• 역방향 거리 계단 분 析를 통해 타입 Ia 초신성 절대 magnitude에 대한 캘리브레이션 사전분포를 성공적으로 분리하였다.
• 불일치의 높은 유의미성으로 인해 지역 거리 측정치 또는 CMB 해석에 새로운 물리학이나 체계적 오차가 존재할 가능성을 더욱 강화한다.