[论文解读] Gamma-Ray Bursts, Supernovae Ia and Baryon Acoustic Oscillations: a binned cosmological analysis

Maria Giovanna Dainotti, Giuseppe Sarracino+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 127被引用 50

一句话总结

本研究通过将伽马射线暴（GRBs）与基本平面关系、Ia型超新星（SNe Ia）及重子声学振荡（BAOs）结合，在分红移区间分析中将宇宙距离阶梯延伸至 z ≈ 5。通过校正选择偏差和红移演化效应，作者表明，当GRBs与SNe Ia及BAOs联合使用时，能显著提升 H₀ 和 ΩM 的精度，使与普朗克测量结果的张力最高降低40%。

ABSTRACT

Cosmological probes at any redshift are necessary to reconstruct consistently the cosmic history. Studying properly the tension on the Hubble constant, $H_0$, obtained by Supernovae Type Ia (SNe Ia) and the Planck measurements of the Cosmic Microwave Background Radiation would require complete samples of distance indicators at any epoch. Gamma-Ray Bursts (GRBs) are necessary for the aforementioned task because of their huge luminosity that allows us to extend the cosmic ladder at very high redshifts. However, using GRBs alone as standard candles is challenging because their luminosity varies widely. To this end, we choose a reliable correlation for GRBs with a very small intrinsic scatter: the so-called fundamental plane correlation for GRB afterglows corrected for selection biases and redshift evolution. We choose a well-defined sample: the platinum sample, composed of 50 Long GRBs. To further constrain cosmological parameters, we use Baryon Acoustic Oscillations (BAOs) given their reliability as standard rulers. Thus, we have applied GRBs, SNe Ia, and BAOs in a binned analysis in redshifts so that GRBs' contribution is fully included in the last redshift bin, which reaches $z=5$. We use the fundamental plane correlation together with SNe Ia and BAOs, to constrain $H_0$ and the density matter today, $\Omega_{M}$. This methodology allows us to assess the role of GRBs combined with SNe Ia and BAOs. We have obtained results for $H_0$ and $\Omega_{M}$ using GRBs+ SNe Ia+BAOs with better precision than the SNe Ia alone for every bin, thus confirming the beneficial role of BAOs and GRBs added together. In addition, consistent results between GRBs+ SNe Ia +BAOs are obtained when compared with the SNe Ia +BAOs, showing the importance of GRBs since the distance ladder is extended up to $z=5$ with a similar precision obtained with other probes without including the GRBs.

研究动机与目标

• 利用GRBs作为标准烛光，将宇宙距离阶梯延伸至高红移（z ≈ 5）。
• 通过在分红移区间分析中将GRBs与SNe Ia及BAOs结合，评估GRBs的宇宙学实用性。
• 通过引入高红移GRB数据，减少本地SNe Ia/造父变星测量与普朗克CMB数据之间在 H₀ 上的张力。
• 在考虑选择偏差和红移演化校正后，评估GRBs对宇宙学参数约束（H₀ 与 ΩM）的影响。
• 证明当与BAOs结合时，GRBs可提供与SNe Ia相当的精度，从而实现高红移宇宙学研究。

提出的方法

• 使用50个长GRBs的铂金样本，基于基本平面关系校正余晖亮度，并考虑选择偏差与红移演化影响。
• 在红移区间内应用分段宇宙学分析，其中GRBs仅贡献于最高红移区间（z ≈ 5）。
• 将GRB数据与SNe Ia及BAO测量结果结合，通过联合似然分析约束 H₀ 与 ΩM。
• 利用Dainotti关系（T*ₐₗₗ 与 Lₓ 的关系）校正GRB亮度，以减小内在离散度。
• 通过在铂金基本平面上生成1000个合成GRB样本进行模拟，评估未来精度潜力。
• 使用公式 xᵢ = (H₀,ᵢ − H₀,𝐶𝑀𝐵)/√(σ²_H₀,ᵢ + σ²_H₀,𝐶𝑀𝐵) 计算本地 H₀ 估计值与普朗克CMB结果之间的张力度量。

实验结果

研究问题

• RQ1 当通过基本平面校准后，GRBs是否可在 z ≈ 5 处作为可靠的宇宙距离指示器？
• RQ2 在分红移区间分析中，将GRBs加入SNe Ia与BAOs后，对 H₀ 与 ΩM 约束精度有何影响？
• RQ3 在多大程度上，引入GRBs可减少与普朗克CMB测量结果之间的 H₀ 张力？
• RQ4 与仅使用SNe Ia与BAOs相比，GRBs的引入是否提升了宇宙学参数约束精度，特别是在高红移区间？
• RQ5 在当前不确定性下，未来数据中GRBs作为宇宙学探针的预期精度如何？

主要发现

• 将GRBs加入SNe Ia与BAOs后，所有红移区间中 H₀ 与 ΩM 的不确定性均降低，其中第5区间（z ≈ 5）改善最为显著。
• 在第5区间中，引入GRBs后与普朗克结果的 H₀ 张力降低40.0%（x = 2.14 vs. 3.57，仅使用SNe Ia时），表明差异显著减小。
• 当仅允许 H₀ 自由变化时，GRBs使张力降低16.7%（x = 4.14 vs. 4.97，仅使用SNe Ia时）；当 H₀ 与 ΩM 同时变化时，张力降低1.4%。
• 在铂金基本平面上对1000个合成GRB样本的模拟显示，ΩM 的精度达到 σ(ΩM) = 0.077，与部分仅使用SNe Ia的区间精度相当。
• GRBs使宇宙学参数推断可延伸至 z = 5，且精度与SNe Ia及BAOs相当，证实其在扩展宇宙距离阶梯中的作用。
• 尽管存在更高不确定性且样本量较小（仅为SNe Ia的1/4），GRBs在与其它探针联合使用时，仍能显著增强高红移宇宙学约束。