[论文解读] A New Master Supernovae Ia sample and the investigation of the $H_0$ tension

Maria Giovanna Dainotti, Biagio De Simone+20 more|ArXiv.org|Jan 20, 2025

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

论文基于 Pantheon、PantheonPlus、JLA 和 DES 构建了包含 3789 颗 SN Ia 的大型主样本，通过红shift分箱和 MCMC 的方法研究平坦 LCDM 与 w0 wa CDM 下的 H0(z)，发现 H0 具有随红shift 演化的微弱趋势，演化参数 α 产生。

ABSTRACT

Modern cosmological research still thoroughly debates the discrepancy between local probes and the Cosmic Microwave Background observations in the Hubble constant ( exorpdfstring{$H_0$}{H0}) measurements, ranging from 4 to 6$σ$. In the current study, we examine this tension using the Supernovae Ia (SNe Ia) data from the Pantheon, Pantheon+ (P+), Joint Lightcurve Analysis (JLA), and Dark Energy Survey, (DES) catalogs combined together into the so-called Master Sample. The sample contains 3714 SNe Ia, and is divided all of them into redshift-ordered bins. Three binning techniques are presented: the equi-population, the moving window (MW), and the equi-spacing in the exorpdfstring{$\log-z$}{log-z}. We perform a Markov-Chain Monte Carlo analysis (MCMC) for each bin to determine the $H_0$ value, estimating it within the standard flat exorpdfstring{$Λ$CDM}{LCDM} and the exorpdfstring{$w_{0}w_{a}$CDM}{w0waCDM} models. These exorpdfstring{$H_0$}{H0} values are then fitted with the following phenomenological function: exorpdfstring{$\mathcal{H}_0(z) = ilde{H}_0 / (1 + z)^α$}{H0(z) = H0tilde / (1 + z)^alpha}, where exorpdfstring{$ ilde{H}_0$}{H0tilde} is a free parameter representing exorpdfstring{$\mathcal{H}_0(z)$}{H0(z)} fitted in exorpdfstring{$z=0$}{z=0}, and exorpdfstring{$α$}{alpha} is the evolutionary parameter. Our results indicate a decreasing trend characterized by exorpdfstring{$α\sim 0.01$}{alpha ~ 0.01}, whose consistency with zero ranges from $1 σ$ in 5 cases to 1 case at 3 $σ$ and 11 cases at $> 3 σ$ in several samples and configurations. Such a trend in the SNe Ia catalogs could be due to evolution with redshift for the astrophysical variables or unveiled selection biases. Alternatively, intrinsic physics, possibly the exorpdfstring{$f(R)$}{f(R)} theory of gravity, could be responsible for this trend.

研究动机与目标

• 使用来自 Pantheon、PantheonPlus、JLA 和 DES 的大规模、无重复的 SN Ia 主样本来激发并量化 H0 张力。
• 通过对 SN Ia 数据按红shift分箱并用一个简单的拟合形式研究 H0(z) 的随时间演化。
• 在不同分箱方案和宇宙学模型（平坦 LCDM 与 w0 wa CDM）下检验 H0 演化的一致性。
• 评估潜在的天体物理或选择偏差，或新的物理学（如 f(R) 引力）是否驱动观测到的 H0 演化。
• 为多源 SN Ia 目录的整合提供方法学路线，同时保持标定的一致性。

提出的方法

• 通过合并并去重后，优先保留 Pantheon、JLA、DES，其次 PantheonPlus，构建 Master Sample。
• 使用等概率分布和对数刻度等距分箱法对 SN Ia 的红shift 分布进行分箱，以测试分箱方案对结果的鲁棒性。
• 在平坦 LCDM 与 w0 wa CDM 框架内，通过 MCMC 分析在每个分箱中推断 H0，并用拟合函数 H0(z)=H̃0/(1+z)^α 来描述 H0(z)。
• 使用包含统计和系统性不确定性的完整协方差矩阵的卡方似然来约束分箱的 H0（式（10））。
• 通过 r = C^{-1/2} Δμ 检验残差高斯性，并结合基于贝叶斯信息准则的 FindDistribution 以及在某些部分考虑 Marshall 的似然作为替代来测试分布。
• 在前几个分箱中探索 SH0ES 约束以交叉核对局部测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 SN Ia 目录按红shift 分箱后，所估计的哈勃常数是否显示随红shift 的演化？
• RQ2 在不同 SN Ia 样本（Pantheon、PantheonPlus、JLA、DES）和分箱方案下，H0(z) 的推断演化是否一致？
• RQ3 简单的演化函数 H0(z)=H̃0/(1+z)^α 能否捕捉观测到的趋势，α 在不同分箱和模型中的统计显著性如何？
• RQ4 潜在的系统误差、选择偏差或修正重力情景（如 f(R)）是否能提供对任何检测到的 H0 演化的可行解释？
• RQ5 在整合具有不同标定的异质 SN Ia 目录并考虑或去除重复项时，结果的鲁棒性如何？

主要发现

• 在随红shift 增大时，H0 呈现下降趋势，演化参数 α 约为 0.01，尽管显著性因目录和分箱而异（在 w0 wa CDM 的 3 个 Pantheon 分箱下为 1.00σ；在 LCDM 的 JLA 和 DES 的 12 个分箱下达到 ≥6σ）。
• Master Sample（3789 颗 SN Ia）使分箱分析更具鲁棒性，且在不同标定下的 H0 与 Ωm 的后验等高线在 3- 布分箱和 4-布分箱中是兼容的（H0=70 与 H0=73.04）。
• 在 Pantheon、PantheonPlus（有无重复项）和 JLA 的大多数分箱中，残差符合高斯分布；在 DES 与某些 PantheonPlus 的分箱配置下观察到多组分高斯分布。
• 对于高 z SN 的增加，提出 Marshall 的似然作为替代，以便在没有协方差信息的情况下纳入新 SN，但这可能影响不确定性估计。
• 该研究在将数据集合并时维持原始 H0 标定（PantheonPlus 固定为局部 SH0ES 值），并显示无论标定方法如何，一致的 H0 演化信号仍然存在。
• 分析支持 H0(z) 作为宇宙学模型和潜在新物理（包括度规 f(R) 引力解释）的诊断工具的有效性。