[논문 리뷰] Determining $H_0$ Model-Independently and Consistency Tests

Kai Liao, Arman Shafieloo외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 25.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 강한 렌즈 및 초신성 Ia 자료를 바탕으로 가우시안 프로세스 회귀를 사용하여 우주론적 모델에 의존하지 않고 허블 상수 $H_0$를 추정하며, 불확실성은 2.3%에 그친다. 평탄한 우주에서는 $H_0 = 72.8_{-1.7}^{+1.6}$ km/s/Mpc를, 비평탄한 우주에서는 $H_0 = 77.3_{-3.0}^{+2.2}$ km/s/Mpc를 보고하며, 통계적으로 유의미한 긴장은 발견되지 않았다. 다만 $H_0$의 적색편이에 따른 추세는 여전히 존재한다.

ABSTRACT

We determine the Hubble constant $H_0$ precisely ($2.3\%$ uncertainty) in a manner independent of cosmological model through Gaussian process regression, using strong lensing and supernova data. Strong gravitational lensing of a variable source can provide a time-delay distance $D_{\Delta t}$ and angular diameter distance to the lens $D_{ m{d}}$. These absolute distances can anchor Type Ia supernovae, which give an excellent constraint on the shape of the distance-redshift relation. Updating our previous results to use the H0LiCOW program's milestone dataset consisting of six lenses, four of which have both $D_{\Delta t}$ and $D_{ m{d}}$ measurements, we obtain $H_0=72.8_{-1.7}^{+1.6} m{ km/s/Mpc}$ for a flat universe and $H_0=77.3_{-3.0}^{+2.2} m{ km/s/Mpc}$ for a non-flat universe. We carry out several consistency checks on the data and find no statistically significant tensions, though a noticeable redshift dependence persists in a particular systematic manner that we investigate. Speculating on the possibility that this trend of derived Hubble constant with lens distance is physical, we show how this can arise through modified gravity light propagation, which would also impact the weak lensing $\sigma_8$ tension.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 모델에 의존하지 않고 허블 상수 $H_0$를 추정함으로써 $H_0$ 추정의 모델 의존성을 줄이는 것.
• 강한 렌즈의 시간 지연 거리 $D_{\Delta t}$와 렌즈 평면의 각도 직경 거리 $D_{\rm d}$를 초신성 Ia의 절대 거리 기준점으로 사용하는 것.
• 다른 적색편이 범위와 데이터 서브세트 간의 $H_0$ 추정 일치성 검증을 통해 잠재적 시스템적 편향이나 긴장을 식별하는 것.
• 유도된 $H_0$ 값에 지속적인 적색편이 의존성 추세가 존재할 경우, 이는 수정 중력 효과와 같은 새로운 물리학을 시사할 수 있는지 조사하는 것.

제안 방법

• 강한 렌즈 및 초신성 자료로부터 거리-적색편이 관계를 재구성하기 위해 가우시안 프로세스 회귀를 적용하여, 매개변수 모델 가정을 피하는 것.
• $D_{\Delta t}$는 강한 렌즈 효과를 보이는 활성은하핵의 시간 지연에서, $D_{\rm d}$는 렌즈 기하학으로부터 절대 거리 측정치로 사용하는 것.
• 이 절대 거리 측정치를 기반으로 초신성의 거리 모듈러스를 锚정하여, 우주론적 모델 의존 없이 허블 상수를 제약하는 것.
• 적색편이 밴드와 데이터 서브세트 간의 일관성 검증을 수행하여 시스템적 편향이나 긴장을 탐지하는 것.
• 렌즈의 적색편이에 따른 $H_0$의 잠재적 이심을 수정 중력의 탐지 수단으로 모델링하며, 특히 $\sigma_8$ 긴장과 관련하여 고려하는 것.
• 정밀도와 견고성을 향상시키기 위해 H0LiCOW 데이터셋의 6개 렌즈 중 4개에서 $D_{\Delta t}$와 $D_{\rm d}$를 모두 활용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 렌즈와 초신성 자료만을 사용하여 특정 우주론적 모델을 가정하지 않고 허블 상수 $H_0$를 고정밀도로 추정할 수 있는가?
• RQ2 다른 적색편이 범위나 데이터 서브세트에서 테스트했을 때 $H_0$ 추정에 통계적으로 유의미한 긴장이 존재하는가?
• RQ3 유도된 $H_0$ 값에 관찰된 적색편이 의존성 추세가 빛의 전파에서 수정 중력 효과와 같은 물리적 효과를 시사하는가?
• RQ4 H0LiCOW 렌즈 6개 중 4개에서 $D_{\Delta t}$와 $D_{\rm d}$를 모두 포함함으로써 $H_0$ 추정의 정밀도와 견고성이 어떻게 향상되는가?
• RQ5 지속적인 $H_0$의 적색편이 추세는 약한 렌즈 측정에서의 $\sigma_8$ 긴장과 연결될 수 있는가?

주요 결과

• 모델 독립적 $H_0$ 추정 결과, 평탄한 우주에서는 $72.8_{-1.7}^{+1.6}$ km/s/Mpc를 얻었으며, 정밀도는 2.3%이다.
• 비평탄한 우주에서는 결과가 $H_0 = 77.3_{-3.0}^{+2.2}$ km/s/Mpc로 나타나 추가 매개변수로 인해 불확실성이 증가했다.
• 데이터 서브세트나 적색편이 밴드 간 일관성 검증에서 통계적으로 유의미한 긴장은 발견되지 않았다.
• 유도된 $H_0$ 값에 지속적인 적색편이 의존성 추세가 남아 있으며, 특히 렌즈 거리와 관련하여 나타나지만 통계적으로 유의미하지 않다.
• 이 적색편이 추세는 빛의 전파에서 수정 중력 효과로 설명될 수 있으며, 이는 약한 렌즈 측정에서의 $\sigma_8$ 긴장에도 영향을 줄 수 있다.
• H0LiCOW 데이터셋의 6개 렌즈 중 4개에서 $D_{\Delta t}$와 $D_{\rm d}$를 모두 제공함으로써 $H_0$ 추정의 견고성과 정밀도가 향상되었다.