[논문 리뷰] Using lower-redshift, non-CMB, data to constrain the Hubble constant and other cosmological parameters

Shulei Cao, Bharat Ratra|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 21.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 73

한 줄 요약

이 연구는 허블 파라미터, 은하단 진동, 초신성 Ia, Mg II 퀘이사, 퀘이사의 천구적 크기, H II 은하, 그리고 아마티 상관관계가 있는 감마선 폭발을 포함한 비-CMB 천체물리적 관측자료를 종합적으로 분석하여 천체론적 파rameter를 제약한다. H₀ = 69.7 ± 1.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 및 Ωₘ₀ = 0.295 ± 0.017를 도출하였으며, 평탄한 ΛCDM 모형이 가장 유리한 것으로 나타났지만, 약간의 어두운 에너지 역학 또는 공간 곡률이 가능하다는 점도 고려된다.

ABSTRACT

We use updated Hubble parameter and baryon acoustic oscillation data, as well as other lower-redshift Type Ia supernova, Mg II reverberation-measured quasar, quasar angular size, H II starburst galaxy, and Amati-correlated gamma-ray burst data, to jointly constrain cosmological parameters in six cosmological models. The joint analysis provides model-independent determinations of the Hubble constant, $H_0=69.7\pm1.2$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, and the current non-relativistic matter density parameter, $\Omega_{m0}=0.295\pm0.017$. These error bars are factors of 2.2 and 2.3 larger than the corresponding error bars in the flat $\Lambda$CDM model from Planck TT,TE,EE+lowE+lensing cosmic microwave background anisotropy data. Based on the deviance information criterion (DIC), the flat $\Lambda$CDM model is most favored but mild dark energy dynamics and a little spatial curvature are not ruled out.

연구 동기 및 목표

• 낮은 적색편이, 비-CMB 천체물리적 자료를 이용하여 모형에 종속되지 않는 허블 상수 H₀ 및 물질 밀도 Ωₘ₀의 제약을 제공한다.
• 평탄한 및 비평탄한 ΛCDM 모형, 그리고 동적 어두운 에너지와 공간 곡률을 포함한 모형의 타당성을 시험한다.
• 업데이트된 H(z) 및 BAO 자료를 통합하고, Mg II 퀘이사 및 A118 감마선 폭발 자료를 포함시켜 이전 분석을 향상시킨다.
• 천체론적 파rameter 제약에 대한 더 정확한 중성미자 처리의 영향을 평가한다.
• 다양한 천체론적 모형을 비교하기 위해 사망 정보 기준(DIC)을 사용하여 모형 선택을 평가한다.

제안 방법

• H(z), BAO, SN Ia, QSO-AS, H II 은하, Mg II 퀘이사, A118 아마티 상관관계가 있는 감마선 폭발을 포함한 7개 자료 세트의 공동 베이지안 분석을 수행한다.
• 각 자료 세트의 내재 산란과 측정 불확실성을 고려한 가능도 프레임워크를 사용하며, 모형에 따라 예측은 허블 파라미터 H(z) = H₀ E(z)를 통해 계산된다.
• 모델에 따라 포함되는 파rameter(H₀, Ωₘ₀, Ωₖ₀, Ωₗ 등)에 따라 달라지는 전개 속도 함수 E(z, p) = H(z, p)/H₀를 사용한다.
• 사망 정보 기준(DIC)을 사용하여 모형을 비교하며, 더 나은 적합도와 더 적은 파rameter를 가진 모형을 선호한다.
• 자유 파rameter를 줄이고 제약의 정밀도를 향상시키기 위해 중성미자 파rameter(Neff = 3.046, ∑mν = 0.06 eV)를 고정한다.
• 파라미터 공간을 탐색하고 사후 분포를 도출하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 낮은 적색편이, 비-CMB 천체물리적 탐측 자료를 통합할 경우 H₀ 및 Ωₘ₀에 대한 모형에 종속되지 않는 제약은 어떻게 되는가?
• RQ2 Mg II 퀘이사 및 A118 감마선 폭발의 포함이 H₀ 및 Ωₘ₀의 정밀도와 중심값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비-CMB 자료만을 사용할 경우 평탄한 ΛCDM 모형이 여전히 유리한가, 아니면 동적 어두운 에너지나 비제로 공간 곡률 모형이 지지를 얻는가?
• RQ4 업데이트된 H(z) 및 BAO 자료, 더 나은 중성미자 처리 방식이 이전 분석과 비교해 최종 천체론적 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 공동 자료 세트에서의 제약이 국소 측정값(Riess et al. 2021) 또는 중앙값 통계(Chen & Ratra 2011)와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 공동 분석 결과 H₀ = 69.7 ± 1.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹를 도출하였으며, 이 값은 Riess et al. (2021)의 국소 측정보다는 Chen & Ratra (2011)의 중앙값 통계와 더 잘 일치한다.
• 물질 밀도 파라미터는 Ωₘ₀ = 0.295 ± 0.017로 제약되었으며, 개선된 자료와 모델링 덕분에 이전 분석 대비 1σ 불확실도가 24% 작아졌다.
• 사망 정보 기준(DIC)에 의하면 평탄한 ΛCDM 모형이 가장 유리한 것으로 나타났지만, 약간의 어두운 에너지 역학 및 작은 공간 곡률은 배제되지 않았다.
• Mg II 퀘이사 및 A118 감마선 폭발의 포함은 H₀ 제약에 큰 영향을 주지 않았지만, Ωₘ₀ 제약을 더욱 강화하는 데 기여했다.
• H₀의 불확실도는 Planck TT,TE,EE+lowE+lensing CMB 분석 대비 2.2배 더 크며, 이는 비-CMB 자료만으로는 아직 동일한 정밀도에 도달하지 못하고 있음을 시사한다.
• 개선된 중성미자 처리 및 자료 세트를 반영한 업데이트된 분석은 이전 연구 대비 H₀ 중심값이 약간 높아졌고(0.42σ 높아짐), Ωₘ₀는 더욱 엄격하게 제약되었다.