[論文レビュー] A new measurement of the expansion history of the Universe at z=1.26 with cosmic chronometers in VANDELS

Elena Tomasetti, M. Moresco+7 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、VANDELS調査に属する39個の質量的で非活性な銀河を用いて、赤方偏移 z ≈ 1.26 における宇宙論的測定を、宇宙計時計法を応用することで新たに実施した。全スペクトルフィッティングを実施し、宇宙論的事前分布を課さずに安定した星の年齢を導出することで、H(z=1.26) = 135 ± 65 km s⁻¹ Mpc⁻¹ を得た。これは、z > 1 まで宇宙計時計法を適用可能なことを示し、今後の大型宇宙望遠鏡計画（例：Euclid）における応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

We derive a new constraint on the expansion history of the Universe by applying the cosmic chronometers method, studying the age evolution of high-redshift galaxies with a full-spectral-fitting approach. We select a sample of 39 massive ($log(M/M_\odot)>10.8$) and passive ($log(sSFR/yr^{-1})<-11$) galaxies from the data release 4 of the VANDELS survey at $1=0.28\pm0.02$ Gyr), low dust extinction ($=0.43\pm0.02$ mag), and sub-solar metallicities ($=0.44\pm0.01$). The ages show a decreasing trend with redshift compatible with a standard cosmological model, even if no cosmological constraint is assumed in the fit, and a clear mass-downsizing pattern. Testing the impact of the star formation history on the results, we find only a maximum 2\% fluctuation in age and metallicity. By fitting the median age-redshift relation with a flat $Λ$CDM model and assuming a Gaussian prior on $Ω_{M,0}= 0.3\pm0.02$ from late-Universe probes, we obtain $H_0=67_{-15}^{+14}\:km\:s^{-1}\:Mpc^{-1}$. In the end, we derive a new estimate of the Hubble parameter with the cosmic chronometers method, $H(z=1.26)=135\pm65\:km\:s^{-1}\:Mpc^{-1}$ including statistical and systematic errors. While the error budget is currently dominated by the scarcity of the sample, this work proves the potential strength of the cosmic chronometers approach up to $z>1$, especially in view of incoming large spectroscopic surveys like Euclid. (abridged)

研究の動機と目的

• 宇宙論的仮定に依存しない形で、高赤方偏移（z ≈ 1.26）におけるHubbleパラメータを測定すること。
• 高赤方偏移における非活性銀河の全スペクトルフィッティングから得られる星の年齢推定値の妥当性を検証すること。
• スペクトル的特徴と物理的パラメータの制約を用いて、z ≈ 1.26 における質量的で非活性な銀河に質量のダウンサイズの兆候があるかを調査すること。
• 星形成歴モデルやサンプル選択基準の違いが、年齢およびHubbleパラメータ推定値に与える影響の感度を評価すること。
• 深く高品質なスペクトロスコピー的データを用いて、宇宙計時計法を z ≈ 1 を超えて拡張可能であることを示すこと。

提案手法

• 本研究では、赤方偏移 1 < z < 1.5 の範囲にのる、質量が log(M*/M☉) ≥ 10.8 で非活性（log(sSFR/yr⁻¹) ≤ -11）な銀河を、光度測定とスペクトロスコピー的特徴を併用して選別し、星形成銀河の混入を最小限に抑える。
• 星形成歴のパラメータ（年齢、金属量、減光、星形成 timescale）は、BAGPIPESコードを用いた全スペクトルフィッティングにより、宇宙論的事前分布を課さずに、スペクトルと光度を同時に解析することで導出された。
• 年齢-赤方偏移関係は、サンプルを赤方偏移と質量のビンに分け、中央値年齢を計算し、平坦な ΛCDM モデルにフィットさせる。パラメータのデゲネラシーを回避するため、ΩM,0 = 0.30 ± 0.02 のガウス事前分布を導入した。
• 宇宙計時計法を中央値年齢-赤方偏移関係に適用し、微分年齢式 H(z) = -1/(1+z) × dz/dt を用いて、z ≈ 1.26 における H(z) を直接推定した。
• 星形成歴モデル（遅延τ型と二重パワー則）の違いによる年齢推定値の感度を検証したところ、物理的に妥当な制約下で、年齢と金属量の中央値差は2%未塔であった。
• H(z) の系統的不確実性は、ビンの分割方法を変更し、より複雑なSFHモデルを用いることで評価された。最終的な誤差予算では統計的誤差が支配的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移非活性銀河を用いて、宇宙計時計法が z ≈ 1.26 におけるHubbleパラメータを信頼性高く測定可能であるか？
• RQ2 全スペクトルフィッティングから得られる星の年齢が、宇宙論的仮定に依存せず、赤方偏移とともに一貫した年齢進化を示すか？
• RQ3 スペクトル的特徴と年齢推定値の違いから、z ≈ 1.26 における質量的で非活性な銀河に質量のダウンサイズの兆候が見られるか？
• RQ4 星形成歴モデルの選択が、Hubbleパラメータと年齢推定値に与える影響はどの程度か？
• RQ5 サンプル選択、ビン分割、SFHモデリングに起因する系統的不確実性が、最終的な H(z) 測定にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 39個の質量的で非活性な銀河のサンプルは、赤方偏移とともに明確な年齢進化を示しており、宇宙時間の経過に伴い星の年齢が減少している。これは、銀河集団が期待通りに年を取っていることを確認している。
• サンプルの中央値星の年齢は 1.7⁺¹.⁵₋₀.⁹ Gyr であり、中央値星形成 timescale は ⟨τ⟩ = 0.28 ± 0.02 Gyr、低減光（⟨AV,dust⟩ = 0.43 ± 0.02 mag）、太陽未満の金属量（⟨Z/Z☉⟩ = 0.44 ± 0.01）を示しており、他の高赤方偏移非活性銀河と整合的である。
• より質量の大きな銀河（⟨log(M*/M☉)⟩ = 11.4）は、質量が小さい銀河（⟨log(M*/M☉)⟩ = 11.15）よりも約 0.8 Gyr 古い。これは、z ≈ 1.26 における質量のダウンサイズの強い証拠である。
• 異なる星形成歴モデル（遅延τ型と二重パワー則）を用いた年齢推定値の比較において、物理的に妥当な制約下で年齢と金属量の中央値差が2%未塔であったため、年齢推定値は非常に頑健である。
• z ≈ 1.26 におけるHubbleパラメータは H(z=1.26) = 135 ± 65 km s⁻¹ Mpc⁻¹ と測定され、誤差予算の大部分を統計的誤差が占めている。
• 中央値年齢-赤方偏移フィットから得られた H₀ = 67⁺¹⁴₋₁⁵ km s⁻¹ Mpc⁻¹ は、後期宇宙の測定と整合的であり、宇宙計時計法が将来的な高赤方偏移宇宙論に応用可能である可能性を支持している。

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