[논문 리뷰] Implications for the Hubble tension from the ages of the oldest astrophysical objects

Sunny Vagnozzi, Fabio Pacucci외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 적색편이 z ≈ 0에서 z ≈ 8까지의 100개 이상의 오래된 천체물체(OAO)의 연령을 사용하여 허블 상수 H₀를 제약한다. 각각의 적색편이에서 우주가 그 물체들보다 오래되었음을 요구함으로써, 95% 신뢰구간에서 H₀ < 73.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹의 상한선을 도출한다. 이는 국소적 H₀ 측정치와 약간의 모순을 보이며, 허블 긴장 문제를 해결하기 위해 재결합 이전과 이후의 새로운 물리학이 병합되어야 한다는 시사점을 제시한다.

ABSTRACT

We use the ages of old astrophysical objects (OAO) in the redshift range $0 \lesssim z \lesssim 8$ as stringent tests of the late-time cosmic expansion history. Since the age of the Universe at any redshift is inversely proportional to $H_0$, requiring that the Universe be older than the oldest objects it contains at any redshift, provides an upper limit on $H_0$. Using a combination of galaxies imaged from the CANDELS program and various high-$z$ quasars, we construct an age-redshift diagram of $\gtrsim 100$ OAO up to $z \sim 8$. Assuming the $Λ$CDM model at late times, we find the 95\% confidence level upper limit $H_0&lt;73.2\,{ m km}/{ m s}/{ m Mpc}$, in slight disagreement with a host of local $H_0$ measurements. Taken at face value, and assuming that the OAO ages are reliable, this suggests that ultimately a combination of pre- and post-recombination ($z \lesssim 10$) new physics might be required to reconcile cosmic ages with early-time and local $H_0$ measurements. In the context of the Hubble tension, our results motivate the study of either combined global pre- and post-recombination modifications to $Λ$CDM, or local new physics which only affects the local $H_0$ measurements.

연구 동기 및 목표

• 고적색편이 오래된 천체물체(OAO)의 연령을 사용하여 ΛCDM 모델의 저시기 일관성을 시험하는 것.
• z ≲ 8에서의 천체 연령 제약 조건을 기반으로 H₀에 대한 모델 독립적인 상한선을 도출하는 것.
• 조기 및 저시기 H₀ 측정치 간의 격차(허블 긴장 문제)가 저시기 또는 국소적 새로운 물리학에 의해 해결될 수 있는지 조사하는 것.
• 관측된 OAO의 연령-적색편이 관계가 표준 ΛCDM를 초월한 수정이 필요로 하는 일관성 문제를 시사하는지 평가하는 것.

제안 방법

• CANDELS 조사 및 적색편이까지 z ≈ 8에 이르는 고적색편이 쿼asar 데이터를 사용하여 100개 이상의 OAO 목록을 구축하는 것.
• 이 OAO들의 관측 연령을 측정하고, 해당 연령을 적색편이와 연관지켜 연령-적색편이도를 구축하는 것.
• 우주의 연령 tU(z) = ∫_z^∞ dz′ / [(1+z′)H(z′)] 를 이용하여 적색편이 z에서의 우주의 연령을 허블 파라미터 H(z)와 연결하는 것.
• 각 적색편이에서 tU(z) ≥ t_observed(OAO) 를 조건으로 하여, ΛCDM 가정 하에 H₀에 대한 상한선을 유도하는 것.
• OAO 연령 추정의 불확실성을 고려하여 베이지안 분석을 수행하여 H₀의 95% 신뢰구간 상한선을 계산하는 것.
• 빅뱅에서 OAO 형성까지의 잠복기 τ_in(약 0.1 Gyr로 추정됨)을 고려하여 결과의 강인성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z ≲ 8에서 관측된 OAO보다 우주가 오래되었음을 요구할 경우, H₀에 도출할 수 있는 상한선은 무엇인가?
• RQ2 OAO의 연령-적색편이 관계는 ΛCDM 내에서 저시기 우주론 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 국소적 H₀ 측정치와 연령 기반 상한선 간의 격차는 시스템적 오차에 기인한 것인지, 새로운 물리학의 징후인가?
• RQ4 관측된 연령 제약 조건은 저시기 또는 국소적 수정을 통해 허블 긴장을 해결하는 모델을 배제하거나 지지할 수 있는가?
• RQ5 잠복기 τ_in은 OAO의 연령을 결정하는 데 어떤 역할을 하며, H₀ 제약에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 95% 신뢰구간에서 H₀의 상한선은 73.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹로 도출되었으며, 이는 z ≈ 8까지의 OAO 연령에서 유래한다.
• 이 상한선은 일반적으로 73.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 이상의 값을 도출하는 여러 국소적 H₀ 측정치와 약간의 긴장이 있다.
• 연령 제약은 저시기 팽창 역사에 민감하므로, z ≲ 10에서 ΛCDM의 타당성을 강력하게 시험하는 데 유용하다.
• 허블 긴장을 해결하기 위해서는 재결합 이전과 이후의 새로운 물리학이 병합되어야 할 가능성이 제기된다.
• 분석 결과는 ΛCDM의 전반적 수정 또는 국소 H₀ 측정에만 영향을 주는 국소적 새로운 물리학을 고려할 필요가 있음을 지지한다.
• 이 연구는 OAO 연령가 H₀를 모델 독립적으로 探색할 수 있음을 강조하며, 현재의 연령 제약에서 내재된 딜레마를 해결하는 데 기여한다.