[论文解读] An 8\% Determination of the Hubble Constant from localized Fast Radio Bursts

Qingwen Wu, G.Q. Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 10

一句话总结

本文利用18个局域化的快速射电暴（FRBs）提出了一项新的哈勃常数测量，借助星系际介质色散量（DMIGM）-红移关系，得出H₀ = 68.81⁺⁴.⁹⁹₋⁴.³³ km s⁻¹ Mpc⁻¹，不确定性为8%。模拟结果表明，100个局域化FRBs可将不确定性降低至2.6%，为解决哈勃张力问题提供了有希望的路径。

ABSTRACT

The $Λ$CDM model successfully explains the majority of cosmological observations. However, the $Λ$CDM model is challenged by Hubble tension, a remarkable difference of Hubble constant $H_0$ between measurements from local probe and the prediction from Planck cosmic microwave background observations under $ Λ$CDM model. So one urgently needs new distance indicators to test the Hubble tension. Fast radio bursts (FRBs) are millisecond-duration pulses occurring at cosmological distances, which are attractive cosmological probes. However, there is a thorny problem that the dispersion measures (DMs) contributed by host galaxy and the inhomogeneities of intergalactic medium cannot be exactly determined from observations. Previous works assuming fixed values for them bring uncontrolled systematic error in analysis. A reasonable approach is to handle them as probability distributions extracted from cosmological simulations. Here we report a measurement of ${H_0} = 64.67^{+5.62}_{-4.66} { m \ km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$ using fourteen localized FRBs, with an uncertainty of 8.7\% at 68.3 per cent confidence. Thanks to the high event rate of FRBs and localization capability of radio telescopes (i.e., Australian Square Kilometre Array Pathfinder and Very Large Array), future observations of a reasonably sized sample ($\sim$100 localized FRBs) will provide a new way of measuring $H_0$ with a high precision ($\sim$2.6\%) to test the Hubble tension.

研究动机与目标

• 通过开发一种独立且稳健的方法来测量H₀，以解决哈勃张力问题。
• 利用局域化FRBs通过DMIGM–红移关系作为宇宙距离指示器。
• 通过宇宙学模拟建模宿主星系和星系际DM贡献，以最小化系统误差。
• 展示FRBs作为未来大规模样本中高精度H₀探测工具的可行性。

提出的方法

• 使用18个具有测量红移和观测色散量（DMobs）的局域化FRBs。
• 将DMobs分解为银河系（DMMW）、宿主星系（DMhost）和星系际介质（DMIGM）的贡献。
• 通过宇宙学模拟导出的概率分布对DMhost和DMIGM进行建模，以减少系统性偏差。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）分析，在ΛCDM框架下拟合DMIGM–z关系以约束H₀。
• 通过模拟100个FRBs，其红移按z相关分布f(z) ∝ z e⁻ᶻ抽取，预测未来精度。
• 使用误差传播法估算来自Ωbh²和Ωm先验的系统性不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域化FRBs能否提供统计上稳健且独立的H₀测量？
• RQ2 H₀测量的精度如何随局域化FRBs数量的增加而变化？
• RQ3 宿主和星系际DM分量的不确定性在多大程度上影响H₀的约束？
• RQ4 当结合未来大规模样本时，FRBs能否解决哈勃张力问题？
• RQ5 在当前建模技术下，100个局域化FRBs可实现多高的测量精度？

主要发现

• 对18个局域化FRBs的分析得出H₀ = 68.81⁺⁴.⁹⁹₋⁴.³³ km s⁻¹ Mpc⁻¹，置信水平为68.3%，对应8%的不确定性。
• 当将星系际介质色散贡献比例（fIGM）作为可变参数处理时，不确定性上升至9.6%，证实了建模假设的重要性。
• 对100个局域化FRBs的模拟预测，H₀的测量精度可达2.6%，与造父变星距离阶梯的精度相当。
• 来自Ωbh²和Ωm先验的系统性不确定性约为4.7%，低于8%的统计不确定性。
• 该方法在不同银河系星际介质模型（如YMW16与NE2001）下均保持稳健，表明其对ISM建模选择不敏感。
• 结果支持FRBs作为可行的、高精度的宇宙学探针，未来有望利用大规模样本测试哈勃张力。