[논문 리뷰] Prospects of high redshift constraints on dark energy models with the Ep- Eiso correlation in long Gamma Ray Bursts

M. Demiański, E. Piedipalumbo외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 19.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 193개의 긴 감마선 폭발(GRBs), 초신성 Ia(SNe Ia), 그리고 28개의 직접적인 허블 파라미터 측정값을 조합한 허블 도표를 사용하여 고적색편이에서 암흑에너지 모델을 제약하는 데 있어 긴 감마선 폭발(GRBs)의 Ep,i–Eiso 상관관계 잠재력을 조사한다. 연구 결과, 지수 포텐셜을 가진 최소로 결합된 퀘이낸스 스칼라 장이 CPL 매개변수화 모델과 초기 암흑에너지 모델보다 약간 유리하게 나타나며, 향후 THESEUS와 같은 GRB 탐사 미션을 통해 암흑에너지 진화에 대한 제약이 크게 향상될 것으로 기대된다.

ABSTRACT

So far large and different data sets revealed the accelerated expansion rate of the Universe, which is usually explained in terms of dark energy. The nature of dark energy is not yet known, and several models have been introduced: a non zero cosmological constant, a potential energy of some scalar field, effects related to the non homogeneous distribution of matter, or effects due to alternative theories of gravity. Recently, a tension with the flat {\Lambda}CDM model has been discovered using a high-redshift Hubble diagram of supernovae, quasars, and gamma-ray bursts. Here we use the Union2 type Ia supernovae (SNIa) and Gamma Ray Bursts (GRB) Hubble diagram, and a set of direct measurements of the Hubble parameter to explore different dark energy models. We use the Chevallier-Polarski- Linder (CPL) parametrization of the dark energy equation of state (EOS), a minimally coupled quintessence scalar field, and, finally, we consider models with dark energy at early times (EDE). We perform a statistical analysis based on the Markov chain Monte Carlo (MCMC) method, and explore the probability distributions of the cosmological parameters for each of the competing models. We apply the Akaike Information Criterion (AIC) to compare these models: our analysis indicates that an evolving dark energy, described by a scalar field with exponential potential seems to be favoured by observational data.

연구 동기 및 목표

• 긴 감마선 폭발(GRBs)의 Ep,i–Eiso 상관관계가 고적색편이에서 암흑에너지 탐색을 위한 천체거리 지표로 유의미하게 사용될 수 있는지 테스트하는 것.
• GRB, SNe Ia, 그리고 직접적인 H(z) 측정값을 조합한 허블 도표를 사용하여 경쟁적인 암흑에너지 모델—CPL 매개변수화, 최소로 결합된 퀘이낸스 스칼라 장, 초기 암흑에너지(EDE)—를 비교하는 것.
• Akaike 정보 기준(AIC)을 사용하여 이러한 모델들의 통계적 선호도를 평가하고, 향후 THESEUS와 같은 미션의 전망을 평가하는 것.

제안 방법

• 중력 렌즈링 등 잠재적인 시스템성 편향을 고려하기 위해, Ep,i–Eiso 상관관계에 적색편이 진화를 반영하는 거듭제곱 법칙 항을 포함시켜 확장한다.
• 193개의 고적색편이 GRB 샘플에 대해 국소 회귀 기법을 적용하여 Ep,i–Eiso 관계를 校정하며, 부분 샘플 및 대체 校정 방법을 사용한 일관성 검증을 실시한다.
• 교정된 GRB 허블 도표를 유니온2 SNe Ia 샘플과 28개의 우주 시계기반 직접 H(z) 측정값과 조합하여 천체론적 파라미터를 제약한다.
• 모델 파라미터의 전체 사후 확률 분포를 계산하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 시뮬레이션을 사용한다.
• 모델 성능을 비교하기 위해 Akaike 정보 기준(AIC)을 적용하며, 더 나은 적합도와 더 적은 파라미터를 가진 모델을 선호한다.
• 향후 THESEUS 미션의 감도와 적색편이 분포를 기반으로 한 모의 GRB 샘플(772개 및 1500개 객체)을 시뮬레이션하여 향후 제약 조건을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적색편이 진화를 고려한 후, 긴 감마선 폭발(GRBs)의 Ep,i–Eiso 상관관계는 신뢰할 만한 고적색편이 천체거리 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ2 CPL 매개변수화, 퀘이낸스 스칼라 장, 초기 암흑에너지 중 어느 모델이 조합된 GRB, SNe Ia 및 H(z) 데이터에 의해 통계적으로 유리한가?
• RQ3 향후 GRB 탐사, 예를 들어 THESEUS 미션에서의 탐사로 암흑에너지 상태방정식과 그 진화에 대한 제약이 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ4 직접 H(z) 측정값의 포함이 GRB와 SNe Ia와의 조합에서 천체론적 파라미터 추정의 정밀도를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 적색편이 진화를 반영하는 거듭제곱 법칙 의존성을 가진 校정 후, Ep,i–Eiso 상관관계는 적색편이에 따라 유의미한 시스템성 진화를 보이지 않아 고적색편이에서 신뢰할 수 있는 거리 지표로 사용될 수 있음을 지지한다.
• 지수 포텐셜을 가진 최소로 결합된 퀘이낸스 스칼라 장은 CPL 매개변수화 모델과 초기 암흑에너지 모델보다 통계적으로 유리하며, 각각 ∆AIC ≈ 5 및 ∆AIC ≈ 9의 차이를 보인다.
• THEEUSS에서 유래한 772개 객체의 모의 향후 GRB 샘플은 천체론적 제약을 크게 향상시키며, 스칼라 장 모델이 선호되는 후보임을 확인한다.
• 모의 샘플 크기가 772개에서 1500개로 증가함에 따라, CPL 모델의 성과 지표(FoM)가 2.5배 증가하여 향후 향상 가능성이 뚜렷하게 드러난다.
• 초기 암흑에너지 모델에서의 감속 파라미터 q(z)는 명백한 진화를 보이며, q(z)가 약 z ≈ 2.5에서 최소값에 도달하여 일시적인 가속 팽창 단계와 일치한다.