[论文解读] Constraints on Cosmological Models with Gamma-Ray Bursts in Cosmology-Independent Way

Hanbei Xie, Xiaodong Nong+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本文提出了一种与宇宙学无关的方法，利用221个长伽马射线暴（GRBs）和观测哈勃数据（OHD），通过潘托恩+超新星Ia样本的高斯过程回归校准阿马蒂关系（Ep–Eiso相关性），对宇宙学模型进行约束。结果得到Ωm = 0.348⁺⁰.⁰⁴⁸₋⁰.⁰⁶⁶ 和 h = 0.680⁺⁰.⁰²⁹₋⁰.⁰²⁹（平坦ΛCDM模型），与同时拟合和低红移校准结果一致，实现了无需循环依赖问题的高红移宇宙学研究。

ABSTRACT

In this paper, we present a cosmology-independent method to constrain cosmological models from the latest 221 gamma-ray bursts (GRBs) sample, including 49 GRBs from Fermi catalog with the Amati relation (the $E_{ m p}$-${E}_{ m iso}$ correlation), which are calibrated by using a Gaussian process from the Pantheon+ type Ia supernovae (SNe Ia) sample. With 182 GRBs at $0.8\le z\le8.2$ in the Hubble diagram and the latest observational Hubble data (OHD) by the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method, we obtained $Ω_{ m m}$ = $0.348^{+0.048}_{-0.066}$ and $h$ = $0.680^{+0.029}_{-0.029}$ for the flat $Λ$CDM model, and $Ω_{ m m}$ = $0.318^{+0.067}_{-0.059}$, $h$ = $0.704^{+0.055}_{-0.068}$, $w$ = $-1.21^{+0.32}_{-0.67}$ for the flat $w$CDM model. These results are consistent with those in which the coefficients of the Amati relation and the cosmological parameters fitted simultaneously.

研究动机与目标

• 通过避免依赖基准宇宙学模型，解决基于GRB的宇宙学约束中的循环性问题。
• 利用高斯过程回归，基于超新星Ia数据对阿马蒂关系（Ep–Eiso相关性）进行模型无关的校准。
• 在无宇宙学依赖的框架下，利用高红移GRBs（z ≥ 0.8）和32个OHD数据点，约束宇宙学参数（Ωm, h, w）。
• 验证基于宇宙学无关校准与GRB关系及宇宙学模型同时拟合结果之间的一致性。
• 为未来利用SVOM任务的高精度GRB数据（散射更小）实现高精度约束做好准备。

提出的方法

• 通过在潘托恩+超新星Ia样本上应用高斯过程回归，对GRBs中的阿马蒂关系（Ep–Eiso相关性）进行校准，以避免依赖基准模型。
• 利用校准后的阿马蒂关系，基于来自J221样本的221个GRBs（z = 0.03 至 8.20，包括49个费米卫星GRBs）构建GRB哈勃图。
• 引入来自宇宙时钟的32个观测哈勃数据（OHD）点，以改善参数约束。
• 应用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法，同时约束宇宙学参数（Ωm, h, w）和GRB关系参数（a, b, σint）。
• 将宇宙学无关校准的结果与GRB关系和宇宙学参数同时拟合的结果进行比较。
• 使用贝齐埃参数曲线和插值技术建模哈勃参数演化，确保方法的模型无关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用超新星Ia数据和高斯过程，以宇宙学无关的方式校准GRBs中的阿马蒂关系？
• RQ2 在不假设基准宇宙学模型的前提下，基于高红移GRBs（z ≥ 0.8）和OHD数据，能获得哪些宇宙学约束（Ωm, h, w）？
• RQ3 与GRB关系和宇宙学模型同时拟合的结果相比，宇宙学无关GRB校准所得的宇宙学约束有何异同？
• RQ4 GRBs中的阿马蒂关系是否与红移演化一致？其在z > 8时是否仍然有效？
• RQ5 在模型无关框架下，GRBs与OHD在多大程度上联合约束平坦ΛCDM和wCDM模型？

主要发现

• 对于平坦ΛCDM模型，该宇宙学无关方法基于182个GRBs（z ≥ 0.8）和32个OHD，得到Ωm = 0.348⁺⁰.⁰⁴⁸₋⁰.⁰⁶⁶ 和 h = 0.680⁺⁰.⁰²⁹₋⁰.⁰²⁹（90%置信区间）。
• 对于平坦wCDM模型，约束结果为Ωm = 0.318⁺⁰.⁰⁶⁷₋⁰.⁰⁵⁹，h = 0.704⁺⁰.⁰⁵⁵₋⁰.⁰⁶⁸，w = -1.21⁺⁰.³²₋⁰.⁶⁷（90%置信区间），使用相同GRB和OHD数据。
• 宇宙学无关校准的结果与同时拟合GRB关系和宇宙学参数的结果一致。
• 阿马蒂关系系数（a ≈ 52.87，b ≈ 1.45）和本征散射（σint ≈ 0.39）在不同校准方法和红移范围内保持稳定。
• 使用131个z ≥ 1.4的GRBs，ΛCDM模型的约束为Ωm = 0.314⁺⁰.⁰⁴⁶₋⁰.⁰⁶³ 和 h = 0.681⁺⁰.⁰²⁹₋⁰.⁰²⁹，表明在高红移下结果具有鲁棒性。
• 同时拟合Ωm, h, w, a, b, σint得到的结果为：Ωm = 0.395⁺⁰.⁰⁵⁴₋⁰.⁰⁷⁸，h = 0.651⁺⁰.⁰³⁰₋⁰.⁰³⁰，w = -0.97⁺⁰.⁶³₋⁰.³⁰，证实了该方法的可靠性。