[논문 리뷰] $H_0=69.8\pm1.3$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, $Ω_{m0}=0.288\pm0.017$, and other constraints from lower-redshift, non-CMB, expansion-rate data

Shulei Cao, Bharat Ratra|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 27.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저적색편이, 비-CMB 천체론적 자료—초신성 Ia, 은하계 밀도 조절 진동, 허블 파라미터 측정, 활성은하핵 반사 맵핑, 감마선 폭발, H II 은하—를 조합하여 천체론적 파arameter를 제약한다. $H_0 = 69.8 \pm 1.3\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 및 $\Omega_{m0} = 0.288 \pm 0.017$를 보고하며, 지역 거리계단 $H_0$ 추정치와 일관성을 보이지만 플랑크 CMB 결과보다 낮으며, 우주상수를 초월한 어둠의 에너지 역학에 대한 증거가 점점 더 커지고 있다.

ABSTRACT

We use updated Type Ia Pantheon+ supernova, baryon acoustic oscillation, and Hubble parameter (now also accounting for correlations) data, as well as new reverberation-measured C IV quasar data, and quasar angular size, H II starburst galaxy, reverberation-measured Mg II quasar, and Amati-correlated gamma-ray burst data to constrain cosmological parameters. We show that these data sets result in mutually consistent constraints and jointly use them to constrain cosmological parameters in six different spatially-flat and non-flat cosmological models. Our analysis provides summary model-independent determinations of two key cosmological parameters: the Hubble constant, $H_0=69.8\pm1.3$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, and the current non-relativistic matter density parameter, $Ω_{m0}=0.288\pm0.017$. Our summary error bars are 2.4 and 2.3 times those obtained using the flat $Λ$CDM model and Planck TT,TE,EE+lowE+lensing cosmic microwave background (CMB) anisotropy data. Our $H_0$ value is very consistent with that from the local expansion rate based on the Tip of the Red Giant Branch data, is 2$σ$ lower than that from the local expansion rate based on Type Ia supernova and Cepheid data, and is 2$σ$ higher than that in the flat $Λ$CDM model based on Planck TT,TE,EE+lowE+lensing CMB data. Our data compilation shows at most mild evidence for non-flat spatial hypersurfaces, but more significant evidence for dark energy dynamics, 2$σ$ or larger in the spatially-flat dynamical dark energy models we study.

연구 동기 및 목표

• 저적색편이, 비-CMB 팽창률 자료를 사용하여 플랑크 CMB 결과와의 갈등을 피하기 위해 천체론적 파arameter 제약을 도출하는 것.
• 초신성 Ia, BAO, $H(z)$, 활성은하핵, 감마선 폭발, H II 은하를 포함한 다양한 저적색편이 탐측기 간의 일관성을 시험하는 것.
• 표준 평탄한 $\Lambda$CDM 모델을 넘어서 어둠의 에너지 역학과 공간 곡률에 대한 증거를 평가하는 것.
• CMB와 지역 거리계단에 의존하지 않는 자료를 통해 $H_0$와 $\Omega_{m0}$에 대한 모델 독립적 제약을 제공하는 것.
• 업데이트된 자료, $H(z)$ 내 상관관계, 활성은하핵 측정의 비대칭 오차 처리를 통합하여 이전 연구를 향상시키는 것.

제안 방법

• 118개의 아마티 상관 감마선 폭발, 반사 맵핑된 C IV 및 Mg II 활성은하핵, 활성은하핵의 각도 크기, 업데이트된 Pantheon+ 초신성 Ia 및 BAO 자료를 포함하는 종합적 자료집을 활용한다.
• $H(z)$ 측정치 간 상관관계를 통합하고 반사 맵핑된 활성은하핵 자료의 비대칭 오차를 고려한다.
• 베이지안 추론을 적용하여 후행 분포를 최소화하고 정보 기준( DIC )을 사용해 여섯 개인 평탄한 및 비평탄한 천체론적 모델을 비교한다.
• CMB 사전 확률에 의존도를 줄이기 위해 다중 자료집 간 연합 가능도 분석을 통해 모델 독립적 제약을 적용한다.
• 기존 탐측기와의 갈등으로 인해 신뢰할 수 없는 자료—예: QSO 복사율 측정, RM H$\beta$ 활성은하핵—는 배제한다.
• 모델 선호도 평가를 위해 DIC 분석을 수행하여, 일정한 어둠의 에너지나 작은 곡률을 가진 모델보다 평탄한 $\phi$CDM 모델이 더 유리하다고 판단한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비-CMB, 저적색편이 팽창률 자료로부터 어둠의 에너지 상수 $H_0$에 대한 가장 일관된 제약은 무엇인가?
• RQ2 $\Omega_{m0}$에 대한 비-CMB 자료의 제약은 플랑크 CMB 이방성 자료의 제약과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 평탄한 및 비평탄한 모델에서 우주상수를 초월한 어둠의 에너지 역학에 대한 유의미한 증거가 있는가?
• RQ4 통합된 저적색편이 자료집은 상호 일관성을 보이며 비평탄한 기하학을 지지하는가?
• RQ5 이 자료 조합에서의 $H_0$ 및 $\Omega_{m0}$ 오차 범위는 플랑크 CMB 자료의 오차 범위와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 연합 분석 결과 $H_0 = 69.8 \pm 1.3\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$를 도출하였으며, 이는 Cepheid 기반 지역 측정값($73.04 \pm 1.04$)보다 $2\sigma$ 낮고, 플랑크 CMB 값($67.36 \pm 0.54$)보다 $2\sigma$ 높다.
• $\Omega_{m0} = 0.288 \pm 0.017$이며, 오차 범위는 플랑크 TT,TE,EE+lowE+lensing CMB 자료의 오차 범위보다 2.4배 넓다.
• 자료는 최대 경미한 비평탄한 기하학에 대한 증거(개방 모델 기준 최대 1.3$\sigma$)를 보이지만, 더 강력한 어둠의 에너지 역학에 대한 증거를 보이며, 평탄한 동적 어둠의 에너지 모델에서는 $2\sigma$ 이상의 수준에 이르렀다.
• DIC 분석 결과, HzBSNQMCA 자료는 평탄한 $\phi$CDM 모델을 가장 선호하지만, 일정한 어둠의 에너지나 작은 곡률에 대한 증거는 약하거나 긍정적이다.
• H(z) + BAO + SN Ia (HzBSN) 세트에 활성은하핵 및 감마선 폭발 자료를 추가하면 오차 범위가 1.6–7.7% 감소하고 $H_0$는 0.05$\sigma$ 이내로 이동하여, 결과의 강건성과 일관성을 보여준다.
• HzBSNQMCA 자료에서의 제약은 CMB 및 지역 거리계단 캘리브레이션(예: Cepheid 또는 TRGB)에 모두 독립적이므로, 더 높은 모델 독립성을 확보한다.