[论文解读] Cosmology-independent local determination of $H_0$ in strong tension with CMB

David Camarena, Valerio Marra|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2019

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文通过仅依赖大尺度均匀性与各向同性的后向分析宇宙距离阶梯，提出了一种与宇宙学无关的哈勃常数 $H_0$ 确定方法。结果得到 $H_0^{ ext{loc}} = 75.66 \pm 1.69\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$，不确定性为 2.2%，与普朗克卫星标准模型的 CMB 结果存在 4.7σ 的张力。

ABSTRACT

The determination of the Hubble constant $H_0$ from the well-understood physics of the Cosmic Microwave Background is in tension at $4.4\sigma$ with respect to the model-independent determination of $H_0$, which uses local supernovas calibrated via the cosmic distance ladder. Here, we present a new method to obtain the effective calibration prior on the absolute magnitude of Supernovas Ia by performing a backward analysis on the cosmic distance ladder, and we determine $H_0$ in a cosmology-independent way, assuming only large-scale homogeneity and isotropy. We find that $H_0^{ m loc} = 75.66 \pm 1.69 ext{ km s}^{-1} { m Mpc}^{-1}$, featuring the very low uncertainty of 2.2%, which is very close to the 1.9% error obtained by the SH0ES Collaboration. We also constrain the deceleration parameter to $q_0^{ m loc} = -1.08 \pm 0.29$, which clearly deviates from the standard-model value of $q_0 \simeq -0.55$. Our determination is in tension at $4.7\sigma$ with the latest results from the Planck Collaboration that assume the standard model of cosmology.

研究动机与目标

• 通过仅依赖大尺度均匀性与各向同性的假设，不依赖宇宙学模型来确定哈勃常数 $H_0$。
• 解决本地距离阶梯测量与普朗克基于 CMB 的 $H_0$ 值之间日益增长的张力。
• 通过距离阶梯的后向分析，推导出 Ia 型超新星绝对星等的有效校准先验，以提高本地 $H_0$ 的精度。
• 在不依赖宇宙学模型的前提下，独立约束本地减速参数 $q_0$。
• 在模型无关的假设下评估 $H_0$ 张力的显著性。

提出的方法

• 对宇宙距离阶梯进行后向分析，以推导出 Ia 型超新星绝对星等的有效校准先验。
• 仅依赖大尺度均匀性与各向同性的假设，以避免在 $H_0$ 确定中引入宇宙学模型依赖。
• 反向应用距离阶梯框架，从本地距离测量反推出超新星所需的校准值。
• 将本地超新星数据与校准后的造父变星距离结合，以在不假设特定宇宙学模型的前提下推导 $H_0$。
• 采用统计推断方法，将距离阶梯各组成部分的不确定性传播至最终的 $H_0$ 估计值。
• 基于局部动力学一致的空间平直、物质主导宇宙假设，从相同本地数据中计算本地减速参数 $q_0$。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否仅通过大尺度均匀性与各向同性的假设，即可在不依赖宇宙学模型的前提下确定哈勃常数？
• RQ2 当通过距离阶梯的后向分析并结合有效校准先验时，$H_0$ 的精确值是多少？
• RQ3 在标准宇宙学模型下，该模型无关的 $H_0$ 与普朗克基于 CMB 的值之间的张力显著性如何？
• RQ4 本地减速参数 $q_0$ 的值是多少？其是否显著偏离标准模型预测的 $q_0 \approx -0.55$？
• RQ5 本地 $H_0$ 确定的不确定性与 SH0ES 合作组相比有多大？

主要发现

• 与宇宙学无关的本地 $H_0$ 确定结果为 $75.66 \pm 1.69\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$，精度达 2.2%。
• 该结果在标准宇宙学模型下与普朗克合作组基于 CMB 的 $H_0$ 值存在 4.7σ 张力。
• 本地减速参数被约束为 $q_0^{\text{loc}} = -1.08 \pm 0.29$，显著偏离标准模型预测的 $q_0 \approx -0.55$。
• 该 $H_0$ 的不确定性与 SH0ES 合作组相当，为 2.2%，而后者为 1.9%。
• 该方法成功通过后向距离阶梯分析隔离了 Ia 型超新星绝对星等的校准先验。
• 鉴于张力的显著性极高，该结果加强了新物理或本地距离测量与 CMB 解读中存在系统误差的可能性。