[论文解读] Implications for the Hubble tension from the ages of the oldest astrophysical objects

Sunny Vagnozzi, Fabio Pacucci+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用 6

一句话总结

本文利用红移 z ≈ 0 至 z ≈ 8 的 100 多个古老天体（OAOs）的年龄，对哈勃常数 H₀ 进行约束。通过要求宇宙在各自红移下的年龄必须大于这些天体的年龄，推导出 H₀ 的 95% 置信上限为 H₀ < 73.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹，该结果与本地 H₀ 测量值存在轻微冲突，提示需结合早、晚期的新物理机制以解决哈勃张力问题。

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.

研究动机与目标

• 通过高红移古老天体（OAOs）的年龄，检验 ΛCDM 模型在晚期的自洽性。
• 基于 z ≲ 8 处的宇宙年龄约束，推导出 H₀ 的模型无关上限。
• 探究早期与晚期 H₀ 测量值之间的差异（即哈勃张力）是否可通过晚期或本地新物理机制得到解决。
• 评估观测到的 OAO 年龄-红移关系是否指向需要超越标准 ΛCDM 模型的修正。

提出的方法

• 利用 CANDELS 巡天和高红移类星体的数据，构建包含 100 多个 OAO 的星表。
• 测量这些 OAO 的观测年龄，并将其与红移关联，构建年龄-红移图。
• 使用积分关系 tU(z) = ∫_z^∞ dz′ / [(1+z′)H(z′)]，将红移 z 处宇宙的年龄与哈勃参数 H(z) 关联起来。
• 在每个红移处应用约束 tU(z) ≥ t_observed(OAO)，在 ΛCDM 假设下推导出 H₀ 的上限。
• 通过贝叶斯分析计算 H₀ 的 95% 置信水平上限，同时考虑 OAO 年龄估计中的不确定性。
• 通过考虑大爆炸与 OAO 形成之间的孵化时间 τ_in（估计约为 ~0.1 Gyr）来评估结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在要求宇宙在 z ≲ 8 处的年龄大于观测到的 OAO 年龄的前提下，能从 OAO 年龄中推导出 H₀ 的什么上限？
• RQ2 OAO 的年龄-红移关系如何约束 ΛCDM 框架下的晚期宇宙学模型？
• RQ3 本地 H₀ 测量值与基于年龄的 H₀ 上限之间的差异是系统误差所致，还是暗示存在新物理？
• RQ4 观测到的年龄约束能否排除或支持通过晚期或本地修正来解决哈勃张力的模型？
• RQ5 孵化时间 τ_in 在确定 OAO 年龄中的作用是什么，其对 H₀ 约束有何影响？

主要发现

• 在 95% 置信水平下，H₀ 的上限为 73.2 km s⁻¹ Mpc⁻¹，该结果基于红移高达 z ≈ 8 的 OAO 年龄推导得出。
• 该上限与多个本地 H₀ 测量值存在轻微冲突，后者通常给出高于 73.5 km s⁻¹ Mpc⁻¹ 的值。
• 年龄约束对晚期宇宙膨胀历史敏感，使其成为 z ≲ 10 范围内 ΛCDM 模型的稳健检验手段。
• 该结果表明，解决哈勃张力可能需要同时引入早、晚期的新物理机制。
• 该分析支持需要考虑对 ΛCDM 的全局修正，或仅影响本地 H₀ 测定的局部新物理。
• 本研究强调，OAO 年龄为 H₀ 提供了一种模型无关的探测手段，有助于打破当前年龄约束中固有的退化问题。