[논문 리뷰] Do gamma-ray burst measurements provide a useful test of cosmological models?

Narayan Khadka, Orlando Luongo외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 160인용 수 89

한 줄 요약

이 연구는 감마선 폭발(GRB) 측정치가 우주론 모델을 신뢰할 수 있는 테스트로 사용될 수 있는지 평가하기 위해, 아마티 및 콤보 상관관계를 사용하여 여덟 개의 GRB 데이터 세트를 분석한다. 그 결과, 다른 탐사 수 Mittel이 접근할 수 없는 고적색변위(z ≈ 9.4) 우주 공간을 탐사할 수는 있지만, 현재의 GRB 데이터는 평탄한 ΛCDM 모델과 일관되지만 BAO 및 H(z) 데이터에 비해 상당히 약한 우주론적 제약 조건을 제공한다는 것이 밝혀졌다.

ABSTRACT

We study eight different gamma-ray burst (GRB) data sets to examine whether current GRB measurements -- that probe a largely unexplored part of cosmological redshift ($z$) space -- can be used to reliably constrain cosmological model parameters. We use three Amati-correlation samples and five Combo-correlation samples to simultaneously derive correlation and cosmological model parameter constraints. The intrinsic dispersion of each GRB data set is taken as a goodness measurement. We examine the consistency between the cosmological bounds from GRBs with those determined from better-established cosmological probes, such as baryonic acoustic oscillation (BAO) and Hubble parameter $H(z)$ measurements. We use the Markov chain Monte Carlo method implemented in extsc{MontePython} to find best-fit correlation and cosmological parameters, in six different cosmological models, for the eight GRB samples, alone or in conjunction with BAO and $H(z)$ data. For the Amati correlation case, we compile a data set of 118 bursts, the A118 sample, which is the largest -- about half of the total Amati-correlation GRBs -- current collection of GRBs suitable for constraining cosmological parameters. This updated GRB compilation has the smallest intrinsic dispersion of the three Amati-correlation GRB data sets we examined. We are unable to define a collection of reliable bursts for current Combo-correlation GRB data. Cosmological constraints determined from the A118 sample are consistent with -- but significantly weaker than -- those from BAO and $H(z)$ data. They also are consistent with the spatially-flat $\Lambda$CDM model as well as with dynamical dark energy models and non-spatially-flat models. Since GRBs probe a largely unexplored region of $z$, it is well worth acquiring more and better-quality burst data which will give a more definitive answer to the question of the title.

연구 동기 및 목표

• 현재 감마선 폭발(GRB) 측정치가 우주론 모델의 매개변수를 신뢰할 수 있게 제약 조건을 부여할 수 있는지 평가하기.
• BAO 및 H(z) 측정치와 같은 기존 탐사 수 Mittel과 비교하여 GRB로부터 유도된 우주론적 제약 조건을 비교하기.
• 아마티 및 콰드로 상관관계를 사용하여 가장 신뢰할 수 있는 GRB 데이터 세트—특히 A118 샘플—을 편성하고 평가하기.
• 각 GRB 데이터 세트의 내재 산란을 우수성과 일관성의 척도로 삼아 정량화하기.
• GRB가 고적색변위(z > 2.3) 영역에서 유용하고 독립적인 우주론 모델 테스트를 제공할 수 있는지 판단하기.

제안 방법

• Mont테파이프를 통해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 방법을 사용하여 상관관계 및 우주론적 매개변수를 동시에 제약 조건을 설정함.
• 세 개의 아마티 상관관계 GRB 샘플과 다섯 개의 콤보 상관관계 샘플을 분석하여 우주론적 경계를 도출함.
• 각 GRB 데이터 세트의 내재 산란을 데이터 신뢰성 평가의 적합도 척도로 간주함.
• GRB 데이터를 BAO 및 H(z) 측정치와 융합하여 매개변수 제약 조건을 향상시킴.
• 평탄한 ΛCDM 및 비평탄한 ΛCDM, 동적 어두운 에너지 모델을 포함한 여섯 가지 우주론 모델을 테스트함.
• 세 가지 아마티 샘플 중에서 가장 작은 내재 산란을 보인 가장 크고 가장 일관성 있는 아마티 상관관계 GRB 데이터 세트인 A118 샘플(118개의 GRB)을 편성함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRB 측정치는 고적색변위(z > 2.3) 영역에서 신뢰할 수 있고 독립적인 우주론 모델 테스트를 제공할 수 있는가?
• RQ2 GRB 데이터로부터 유도된 우주론적 제약 조건은 BAO 및 H(z) 측정치와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 아마티 또는 콤보 상관관계를 사용하여 우주론적 매개변수 추정에 적합한 일관성 있고 신뢰할 수 있는 GRB 데이터 세트가 존재하는가?
• RQ4 현재의 GRB 데이터 세트의 내재 산란은 얼마이며, 이는 우주론적 제약 조건에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 GRB 기반 제약 조건은 공간적으로 평탄한 ΛCDM 모델을 지지하는가, 아니면 동적 어두운 에너지와 비평탄 기하학을 허용하는가?

주요 결과

• A118 샘플은 현재까지 가장 크고 가장 일관성 있는 아마티 상관관계 GRB 데이터 세트이며, 분석한 세 개의 아마티 샘플 중에서 가장 작은 내재 산란을 보였다.
• A118 샘플에서 유도된 우주론적 제약 조건은 공간적으로 평탄한 ΛCDM 모델과 일치할 뿐 아니라, 동적 어두운 에너지 및 비공간 평탄 모델과도 일치한다.
• GRB 기반 제약 조건은 탐색되지 않은 적색변위 영역(z ≈ 9.4)을 탐사할 수 있음에도 불구하고, BAO 및 H(z) 데이터에 비해 상당히 약하다.
• 검토한 다섯 개 샘플에서 신뢰할 수 있고 일관성 있는 콤보 상관관계 GRB 데이터 세트를 편성할 수 없었으며, 이는 이러한 상관관계에서 높은 산란 또는 일관성 부족을 시사한다.
• A118 샘플의 내재 산란은 0.27로, 우주론 분석에 있어 상대적으로 낮은 산란과 높은 신뢰성을 나타낸다.
• 이 연구는 GRB가 고적색변위 우주론 탐사 수 Mittel로서의 잠재력을 지녔지만, 결정적인 제약 조건을 도출하기 위해서는 더 고품질의 데이터가 필요하다고 결론 내린다.