[논문 리뷰] Reduced uncertainties up to 43\% on the Hubble constant and the matter density with the SNe Ia with a new statistical analysis

Maria Giovanna Dainotti, Giada Bargiacchi외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 13.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 12

한 줄 요약

논문은 SNe Ia 거리 모듄이 가우시안이 아니며 로지스틱( Pantheon ) 또는 Student’s t( Pantheon+ ) 분포로 피팅하면 ΩM 및 H0에 대한 제약이 약 40% 더 촘촘해지고 H0 긴장이 5σ를 넘어 확 커진다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Type Ia Supernovae (SNe Ia) are considered the most reliable extit{standard candles} and they have played an invaluable role in cosmology since the discovery of the Universe's accelerated expansion. During the last decades, the SNe Ia samples have been improved in number, redshift coverage, calibration methodology, and systematics treatment. These efforts led to the most recent extit{``Pantheon"} (2018) and extit{``Pantheon +"} (2022) releases, which enable to constrain cosmological parameters more precisely than previous samples. In this era of precision cosmology, the community strives to find new ways to reduce uncertainties on cosmological parameters. To this end, we start our investigation even from the likelihood assumption of Gaussianity, implicitly used in this domain. Indeed, the usual practise involves constraining parameters through a Gaussian distance moduli likelihood. This method relies on the implicit assumption that the difference between the distance moduli measured and the ones expected from the cosmological model is Gaussianly distributed. In this work, we test this hypothesis for both the extit{Pantheon} and extit{Pantheon +} releases. We find that in both cases this requirement is not fulfilled and the actual underlying distributions are a logistic and a Student's t distribution for the extit{Pantheon} and extit{Pantheon +} data, respectively. When we apply these new likelihoods fitting a flat $Λ$CDM model, we significantly reduce the uncertainties on $Ω_M$ and $H_0$ of $\sim 40 \%$. This boosts the SNe Ia power in constraining cosmological parameters, thus representing a huge step forward to shed light on the current debated tensions in cosmology.

연구 동기 및 목표

• 코스모지에 사용되는 SN Ia 거리 모듈리티의 가우시안성 가정에 의문을 제기한다.
• Pantheon 및 Pantheon+ 데이터에 대해 최적의 비가우시안 우도를 식별한다.
• 평평한 ΛCDM에서 비가우시안 우도가 ΩM 및 H0 제약에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.
• 새로운 우도에 따른 Planck 및 현지 측정과의 비교에서 H0 긴장의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 식(1)을 사용하여 관측된 거리 모듈리티와 이론적 거리를 계산하고, 두 가지 거리-거리 공식(식(2) 및 식(3)과 z_hel 및 z_HD를 사용)으로 계산한다.
• 정규화된 잔차 Δμ_norm의 가우시안성(에드워드–다링, 샤피로–윌크, 왜도 및 첨도(왜도+첨도) 포함)을 테스트한다.
• Mathematica FindDistribution을 사용하여 Δμ_norm을 후보 분포에 피팅하고 가능도, AIC, BIC, 적합도 검정으로 비교한다.
• 최적의 비가우시안 분포( Pantheon은 로지스틱, Pantheon+은 Student’s t) 를 우도 L_new에 채택하고 Kelly 방법(최대가능도 추정에서 EM 사용)으로 코스모로지 피팅을 수행한다.
• 가우시안 우도 L_Gauss를 다양한 사전(ΩM, H0) 및 고정/참조 값 하에서 비교하고 μ_th 공식의 선택에 따른 로버스트성도 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pantheon 및 Pantheon+ 데이터에 대해 표준 Gaussian 거리 모듈리티 우도가 적합한가?
• RQ2 Pantheon 및 Pantheon+에 대해 Δμ_norm를 가장 잘 설명하는 비가우시안 분포는 무엇인가?
• RQ3 이들 비가우시안 우도가 평평한 ΛCDM 모델에서 ΩM 및 H0 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수정된 제약이 Planck 및 로컬 측정과 비교할 때 H0 긴장에 어떤 변화를 주는가?

주요 결과

• Pantheon 및 Pantheon+ Δμ_norm는 가우시안성 테스트(에드워드–다링 및 샤피로–윌크)를 모두 실패한다.
• Pantheon은 정규화된 잔차에 대해 로지스틱 분포로 가장 잘 설명되는 반면, Pantheon+은 정규화된 잔차에 대해 Student’s t 분포로 가장 잘 설명된다.
• 새로운 우도를 사용하면 가우시안 가정에 비해 ΩM 및 H0 제약이 약 40% 정도 촘촘해진다.
• 비가우시안 우도를 사용하면 결과적으로 H0 긴장이 5σ를 넘어 증가한다.
• 비가우시안 접근 방식은 두 가지 다른 거리 모듈리티 공식 간에 ΩM 및 H0의 일관된 값을 제공하여 로버스트성을 확인한다.