[논문 리뷰] Gamma-Ray Bursts, Supernovae Ia and Baryon Acoustic Oscillations: a binned cosmological analysis

Maria Giovanna Dainotti, Giuseppe Sarracino외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 15.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 127인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 적색편이 z ≈ 5까지 우주 거리 단계를 연장하기 위해 감마선 폭발(GRBs), 초신성 Ia 및 밀도파동의 기초 평면 상관관계를 조합하여 분할된 적색편이 분석을 수행한다. 선택 편향과 적색편이 진화를 보정함으로써 저자들은 GRB가 SNe Ia와 BAO를 조합할 경우 H₀ 및 ΩM의 정밀도를 크게 향상시키며, 이로 인해 플랑크 측정치와의 갈등을 최대 40% 감소시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Cosmological probes at any redshift are necessary to reconstruct consistently the cosmic history. Studying properly the tension on the Hubble constant, $H_0$, obtained by Supernovae Type Ia (SNe Ia) and the Planck measurements of the Cosmic Microwave Background Radiation would require complete samples of distance indicators at any epoch. Gamma-Ray Bursts (GRBs) are necessary for the aforementioned task because of their huge luminosity that allows us to extend the cosmic ladder at very high redshifts. However, using GRBs alone as standard candles is challenging because their luminosity varies widely. To this end, we choose a reliable correlation for GRBs with a very small intrinsic scatter: the so-called fundamental plane correlation for GRB afterglows corrected for selection biases and redshift evolution. We choose a well-defined sample: the platinum sample, composed of 50 Long GRBs. To further constrain cosmological parameters, we use Baryon Acoustic Oscillations (BAOs) given their reliability as standard rulers. Thus, we have applied GRBs, SNe Ia, and BAOs in a binned analysis in redshifts so that GRBs' contribution is fully included in the last redshift bin, which reaches $z=5$. We use the fundamental plane correlation together with SNe Ia and BAOs, to constrain $H_0$ and the density matter today, $\Omega_{M}$. This methodology allows us to assess the role of GRBs combined with SNe Ia and BAOs. We have obtained results for $H_0$ and $\Omega_{M}$ using GRBs+ SNe Ia+BAOs with better precision than the SNe Ia alone for every bin, thus confirming the beneficial role of BAOs and GRBs added together. In addition, consistent results between GRBs+ SNe Ia +BAOs are obtained when compared with the SNe Ia +BAOs, showing the importance of GRBs since the distance ladder is extended up to $z=5$ with a similar precision obtained with other probes without including the GRBs.

연구 동기 및 목표

• GRB를 표준 캔들로 사용하여 고적색편이(z ≈ 5)까지 우주 거리 단계를 연장하는 것.
• 분할된 적색편이 분석을 통해 SNe Ia 및 BAO와 조합된 GRB의 천체역학적 유용성을 평가하는 것.
• 고적색편이 GRB 데이터를 통합함으로써 국소 SNe Ia/세프라이드 측정치와 플랑크 CMB 데이터 간의 H₀ 갈등을 줄이는 것.
• 선택 편향과 적색편이 진화를 보정한 후 GRB가 H₀ 및 ΩM의 천체역학적 파rameter 제약에 미치는 영향을 평가하는 것.
• GRB가 BAO와 조합될 경우 고적색편이 천체역학에서 SNe Ia와 유사한 정밀도를 제공할 수 있음을 입증하여 고적색편이 천체역학을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 장수 GRB 50개의 플래티넘 샘플을 기초 평면 상관관계를 통해 후광 빛의 세기를 보정하여 사용하며, 선택 편향과 적색편이 진화를 보정한다.
• 적색편이 구간에 걸쳐 분할된 천체역학 분석을 적용하며, GRB는 유일하게 가장 높은 구간(z ≈ 5)에 기여한다.
• GRB 데이터를 SNe Ia 및 BAO 측정치와 조합하여 H₀ 및 ΩM를 공동 우도 분석을 통해 제약한다.
• 내재 산란을 줄이기 위해 Dainotti 관계(T*ₐₗₗ 대비 Lₓ)를 사용하여 GRB 빛의 세기를 보정한다.
• 플래티넘 기초 평면에 기반한 1000개의 가짜 GRB 시뮬레이션을 수행하여 향후 정밀도 잠재력을 평가한다.
• 다음 공식을 사용하여 국소 H₀ 추정치와 플랑크 CMB 결과 간의 갈등 지표(xᵢ)를 계산한다: xᵢ = (H₀,ᵢ − H₀,𝐶𝑀𝐵)/√(σ²_H₀,ᵢ + σ²_H₀,𝐶𝑀𝐵).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기초 평면에 의해 校정된 GRB는 z ≈ 5에서 신뢰할 수 있는 천체역학적 거리 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ2 SNe Ia 및 BAO에 GRB를 추가함으로써 분할된 적색편이 분석에서 H₀ 및 ΩM 제약의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 GRB를 포함시킬 경우 플랑크 CMB 측정치와의 H₀ 갈등은 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 특히 고적색편이 구간에서 SNe Ia 및 BAO만을 사용하는 것과 비교해 GRB의 포함이 천체역학적 파rameter 제약 정밀도를 향상시키는가?
• RQ5 현재의 불확실성 수준을 고려할 때, 향후 데이터를 바탕으로 GRB의 기대 정밀도는 어떠한가?

주요 결과

• SNe Ia 및 BAO에 GRB를 추가하면 모든 적색편이 구간에서 H₀ 및 ΩM의 불확실성이 감소하며, 특히 구간 5(z ≈ 5)에서 가장 큰 향상이 이루어진다.
• 구간 5에서 GRB를 포함시킬 경우 플랑크와의 H₀ 갈등이 40.0% 감소한다 (SNe Ia만으로는 x = 3.57, GRB 포함 시 x = 2.14로, 불일치가 크게 감소함).
• H₀만 변할 경우 GRB 포함으로 H₀ 갈등이 16.7% 감소한다 (SNe Ia만으로는 x = 4.97, GRB 포함 시 x = 4.14), H₀ 및 ΩM 모두 변할 경우 1.4% 감소한다.
• 플래티넘 기초 평면에 기반한 1000개의 가짜 GRB 시뮬레이션을 통해 ΩM의 정밀도가 σ(ΩM) = 0.077로 산출되었으며, 일부 SNe Ia 전용 구간과 유사한 정밀도를 확보하였다.
• GRB는 SNe Ia 및 BAO와 조합될 경우 z = 5까지 유사한 정밀도로 천체역학적 파rameter 추론이 가능함을 확인하였으며, 이는 우주 거리 단계를 연장하는 데서의 역할을 입증한다.
• SNe Ia보다 더 높은 불확실성과 더 작은 표본 크기(4배 작음)에도 불구하고, GRB는 다른 탐측기와 조합될 경우 고적색편이 천체역학 제약을 크게 향상시킨다.