[论文解读] $H_0=69.8\pm1.3$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, $Ω_{m0}=0.288\pm0.017$, and other constraints from lower-redshift, non-CMB, expansion-rate data

Shulei Cao, Bharat Ratra|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本研究结合低红移、非CMB宇宙学数据——包括Ia型超新星、重子声学振荡、哈勃参数测量、类星体反应映射、伽马射线暴以及H II星系——以约束宇宙学参数。研究报告得出 $H_0 = 69.8 \pm 1.3\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$ 和 $\Omega_{m0} = 0.288 \pm 0.017$，与本地距离阶梯法的 $H_0$ 估计结果一致，但低于普朗克CMB结果，且暗能量动力学超出宇宙学常数的证据日益显著。

ABSTRACT

We use updated Type Ia Pantheon+ supernova, baryon acoustic oscillation, and Hubble parameter (now also accounting for correlations) data, as well as new reverberation-measured C IV quasar data, and quasar angular size, H II starburst galaxy, reverberation-measured Mg II quasar, and Amati-correlated gamma-ray burst data to constrain cosmological parameters. We show that these data sets result in mutually consistent constraints and jointly use them to constrain cosmological parameters in six different spatially-flat and non-flat cosmological models. Our analysis provides summary model-independent determinations of two key cosmological parameters: the Hubble constant, $H_0=69.8\pm1.3$ $ m{km \ s^{-1} \ Mpc^{-1}}$, and the current non-relativistic matter density parameter, $Ω_{m0}=0.288\pm0.017$. Our summary error bars are 2.4 and 2.3 times those obtained using the flat $Λ$CDM model and Planck TT,TE,EE+lowE+lensing cosmic microwave background (CMB) anisotropy data. Our $H_0$ value is very consistent with that from the local expansion rate based on the Tip of the Red Giant Branch data, is 2$σ$ lower than that from the local expansion rate based on Type Ia supernova and Cepheid data, and is 2$σ$ higher than that in the flat $Λ$CDM model based on Planck TT,TE,EE+lowE+lensing CMB data. Our data compilation shows at most mild evidence for non-flat spatial hypersurfaces, but more significant evidence for dark energy dynamics, 2$σ$ or larger in the spatially-flat dynamical dark energy models we study.

研究动机与目标

• 利用低红移、非CMB的膨胀率数据来约束宇宙学参数，以避免与普朗克CMB结果产生张力。
• 检验包括SN Ia、BAO、$H(z)$、类星体、GRBs和H II星系在内的多种低红移探针的一致性。
• 评估暗能量动力学及空间曲率超出标准平坦$\Lambda$CDM模型的证据。
• 通过独立于CMB和本地距离阶梯的数据，实现对$H_0$和$\Omega_{m0}$的模型无关约束。
• 在先前工作的基础上，通过整合更新的数据、$H(z)$中的相关性，以及对类星体测量中不对称误差的处理，进一步提升精度。

提出的方法

• 综合使用118个与Amati相关联的伽马射线暴、利用反应映射法测量的C IV和Mg II类星体、类星体角大小、H II星暴星系，以及更新后的Pantheon+ SN Ia和BAO数据。
• 纳入$H(z)$测量之间的相关性，并考虑反应映射类星体数据中的不对称误差。
• 采用贝叶斯推断，结合边际后验分布与信息准则（DIC），比较六种空间平坦与非平坦宇宙学模型。
• 通过多数据集联合似然分析实现模型无关约束，以减少对CMB先验的依赖。
• 由于与既有的探针存在张力，排除不可靠的数据，如QSO通量测量和RM H$\beta$类星体。
• 进行DIC分析以评估模型偏好，结果表明平坦$\phi$CDM模型优于具有恒定暗能量或小曲率的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 从非CMB、低红移膨胀率数据中，对哈勃常数$H_0$的最一致约束是什么？
• RQ2 非CMB数据对$\Omega_{m0}$的约束与普朗克CMB各向异性数据的结果相比如何？
• RQ3 在平坦与非平坦模型中，是否存在显著证据表明暗能量动力学超越了宇宙学常数？
• RQ4 组合的低红移数据集是否表现出相互一致性，并支持非平坦几何结构？
• RQ5 该数据组合对$H_0$和$\Omega_{m0}$的误差条与普朗克CMB数据相比如何？

主要发现

• 联合分析得出 $H_0 = 69.8 \pm 1.3\ \text{km s}^{-1}\text{Mpc}^{-1}$，比基于造父变星的本地测量结果（$73.04 \pm 1.04$）低2σ，也比普朗克CMB结果（$67.36 \pm 0.54$）高2σ。
• $\Omega_{m0} = 0.288 \pm 0.017$，其误差条比普朗克TT,TE,EE+lowE+lensing CMB数据的误差条大2.4倍。
• 数据最多显示对非平坦几何结构的微弱证据（开放模型最多达1.3$\sigma$），但对暗能量动力学的证据更强，在平坦动力学暗能量模型中达到或超过2$\sigma$。
• DIC分析表明，平坦$\phi$CDM模型最被HzBSNQMCA数据所青睐，尽管对恒定暗能量或小曲率的证据较弱或为正。
• 将类星体和GRB数据加入$H(z)$ + BAO + SN Ia（HzBSN）数据集中，使误差条缩小1.6%至7.7%，且$H_0$变化小于0.05$\sigma$，表明结果具有稳健性与一致性。
• HzBSNQMCA数据的约束独立于CMB和本地距离阶梯校准（如造父变星或TRGB），从而增强了其模型无关性。