[논문 리뷰] Uncorrelated estimations of $H_0$ redshift evolution from DESI baryon acoustic oscillation observations

X. D. Jia, Jian-Ping Hu외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 04.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 평탄한 $\Lambda$CDM 프레임워크 내에서 DESI의 첫 해기 바리온 음향 진동(BAO) 데이터를 분석하기 위해 대각화된 공분산 행렬을 사용한 비모수적 추정을 활용하여 적색편이에 따라 감소하는 허블 상수 $H_0$의 유의미한 8.6σ 경향을 규명하였다. 이 결과는 변화하는 허블 파라미터 역학을 지지하며, 새로운 물리학을 도입하지 않고도 허블 긴장 문제를 해결할 수 있는 잠재적 해결책을 제시한다.

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) collaboration recently released the first year data of baryon acoustic oscillations (BAOs). Based on the five different tracers, the cosmological constraint shows a hint of deviation from the standard $Λ$CDM model. In this letter, we combine the DESI BAOs with other cosmic probes to constrain the evolution of Hubble constant as a function of redshift in the flat $Λ$CDM model. The non-parametric method is used to estimate the value of Hubble constant at different redshift bins. The correlation among different bins are removed by diagonalizing the covariance matrix. The joint data sample demonstrate a decreasing trend of Hubble constant with a significance of $6.4 σ$, which can naturally resolve the Hubble tension. To avoid statistical effects caused by the binning methods, we tested other three different binning methods and also found a decreasing trend. It may be due to dynamical dark energy or modified gravity.

연구 동기 및 목표

• 최신 DESI 바리온 음향 진동(BAO) 데이터를 활용하여 적색편이에 따른 허블 상수 $H_0$의 진화를 조사하기 위해.
• 관측된 허블 긴장이 상수 값이 아닌 적색편이에 의존하는 $H_0$에 의해 해결될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 다른 적색편이 범주 간 상관관계를 제거하여 더 견고한 천체물리학적 제약 조건을 얻기 위해 비모수적 방법을 적용하기 위해.
• DESI BAO 데이터를 $H(z)$, Pantheon+ 초신성 Ia, BAO 데이터와 융합하여 $H_0(z)$ 진화에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 감소하는 $H_0(z)$ 경향의 유의미성과 그가 동적 어두운 에너지 또는 수정 중력 모델에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 적색편이 $z=0$에서 $z=2.4$까지 아홉 개의 적색편이 범주에서 $H_0$를 추정하기 위해 비모수적 방법을 사용하여 진화 형태에 대한 모수적 가정을 피하기 위해.
• 주성분 분석(PCA)을 활용하여 공분산 행렬을 대각화함으로써 서로 다른 적색편이 범주에서의 $H_0$ 추정치 간 상관관계를 제거하기 위해.
• 다섯 가지 추적자(밝은 은하, 밝은 빨간색 은하, 발광선 은하, 활성 은하핵, 라이만-$\alpha$ 숲)로부터 얻은 DESI의 첫 해기 BAO 측정치인 $D_M/r_d$, $D_H/r_d$, $D_V/r_d$를 사용하기 위해.
• 추가 데이터 포함: 우주 시계 측정치에서의 33개의 $H(z)$ 측정치, 12개의 오래된 BAO 측정치, Pantheon+ 샘플의 1550개의 초신성 Ia.
• 감소하는 $H_0(z)$ 경향의 유의미성을 정량화하기 위해 영가설 검정을 적용하고, 검정 통계량 $\chi^2_{\text{null}}$을 사용하기 위해.
• 모든 BAO 거리 측정치를 Planck 2020에서 유도된 CMB 기반 음파 영역 $r_d = 147.1$ Mpc로 校정하기 위해.

Figure 1: Fitting results of $H_{0}(z)$ in nine redshift bins. Panel (a) shows the value of $H_{0}(z)$ as a function of redshift. There is a clear decreasing trend with $8.6\sigma$ significance between $z=0$ to $z=1.1$ . The green line gives $H_{0}=73.04\pm 1.04$ km s -1 Mpc -1 from the local distan

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 DESI BAO 데이터로 제약을 받을 때, 허블 상수가 적색편이에 따라 측정 가능한 진화를 보이는가?
• RQ2 $0 \leq z \leq 2.4$의 적색편이 범위에서 감소하는 $H_0(z)$ 경향의 통계적 유의미성은 무엇인가?
• RQ3 DESI의 첫 해기 BAO 데이터가 이전 연구에 비해 $H_0(z)$ 제약 조건을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 관측된 $H_0$ 진화가 $\Lambda$CDM 모델을 넘어서 새로운 물리학을 도입하지 않고도 허블 긴장을 해결할 수 있는가?
• RQ5 초신성 Ia나 BAO 데이터의 시스템적 불확실성은 유추된 $H_0(z)$ 진화에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 적색편이에 따라 감소하는 허블 상수 경향이 관측되었으며, 통계적 유의미성은 $8.6\sigma$로 매우 높다.
• 낮은 적색편이 영역($z \lesssim 0.1$)에서의 $H_0$ 값은 지역적 거리 계단 측정치($H_0 \approx 73.2$ km s⁻¹ Mpc⁻¹)와 $1\sigma$ 범위 내에서 일치한다.
• 높은 적색편이 영역($z \approx 2.4$)에서의 $H_0$ 값은 Planck 2020에서 유도된 CMB 기반 $H_0$($H_0 \approx 67.4$ km s⁻¹ Mpc⁻¹)와 $1\sigma$ 범위 내에서 일치한다.
• DESI BAO 데이터는 이전 연구에 비해 고적색편이 영역에서 $H_0(z)$ 제약 조건을 크게 강화하여 불확실성을 감소시켰다.
• 대각화된 공분산 행렬을 사용한 비모수적 방법은 범주 간 상관관계를 성공적으로 제거하여 $H_0(z)$ 추정의 신뢰도를 향상시켰다.
• 초신성 Ia의 시스템적 불확실성, 특히 스트레치와 세페이드 항성 캘리브레이션은 $0.7$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ 이하로 기여하며, 관측된 $H_0$ 진화를 설명하기에는 부족하다.

Figure 2: Corner plot of $H_{0,z}$ values in units of km s -1 Mpc -1 . The panels on the diagonal show the 1D posterior probability distribution for each parameter obtained by marginalizing over the other parameters. The off-diagonal panels show two-dimensional projections of the posterior probabili