[论文解读] Measuring $H_0$ from low-$z$ datasets

Xue Zhang, Qing-Guo Huang|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

Computational Physics and Python Applications被引用 5

一句话总结

本文使用低红移数据集——Pantheon Ia型超新星、BAO和分层Alcock-Paczynski效应——在ΛCDM、wCDM和w₀wₐCDM模型中测量了哈勃常数$H_0$。在ΛCDM模型中，得到$H_0 = 67.95^{+0.78}_{-1.03}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，与SH0ES测量结果存在3.75σ的张力，但在动力学暗能量模型中该张力显著缓解。

ABSTRACT

Adopting the low-redshift observational datasets, including the Pantheon sample of Type Ia supernovae, baryon acoustic oscillation measurements, and the tomographic Alcock-Paczynski method, we determine the Hubble constant to be $67.95^{+0.78}_{-1.03}$ , $69.81^{+2.22}_{-2.70}$ and $66.75^{+3.42}_{-4.23}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ at 68\% confidence level in the $Λ$CDM, $w$CDM and $w_0w_a$CDM models, respectively. Compared to the Hubble constant given by Riess et al. in 2019, we conclude that the new physics beyond the standard $Λ$CDM model is needed if all of these datasets are reliable.

研究动机与目标

• 使用低红移观测数据集测量哈勃常数$H_0$，以减少宇宙学模型的依赖性。
• 研究是否可通过超越ΛCDM模型的扩展，缓解本地测量（如SH0ES）与CMB基全局拟合之间的$H_0$张力。
• 评估动力学暗能量模型（wCDM、w₀wₐCDM）对使用Pantheon+BAO+AP数据约束$H_0$的影响。
• 仅使用低红移数据，提供$H_0$的模型无关测量，最大限度减少对高红移先验的依赖。
• 评估是否需要引入ΛCDM之外的新物理来解决$H_0$张力。

提出的方法

• 结合低红移数据集：Pantheon Ia型超新星（1048个事件，$0.01 < z < 2.3$）、来自6dFGS、MGS、BOSS DR12、eBOSS DR14类星体和eBOSS DR14 Ly$\alpha$的BAO测量。
• 利用BOSS DR12星系（$0.15 < z < 0.693$）引入分层Alcock-Paczynski（AP）方法，以约束几何结构和膨胀历史。
• 通过$\chi^2_{\text{total}} = \chi^2_{\text{Pantheon}} + \chi^2_{\text{BAO}} + \chi^2_{\text{AP}}$执行全局似然分析，以拟合宇宙学参数。
• 使用CosmoMC生成马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）样本，用于ΛCDM、wCDM和w₀wₐCDM模型中的参数估计。
• 固定$\Omega_b h^2 = 0.02236$为基准值，敏感度测试显示对结果影响极小。
• 应用边际后验分布，提取各模型下68%置信水平的$H_0$约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准ΛCDM模型中，仅由低红移Ia型超新星、BAO和AP数据约束时，$H_0$的值是多少？
• RQ2 当扩展到wCDM和w₀wₐCDM模型时，$H_0$与SH0ES测量结果之间的张力如何演变？
• RQ3 动力学暗能量模型在多大程度上能缓解本地测量与CMB基测量之间观测到的$H_0$张力？
• RQ4 使用相同低红移数据集时，不同暗能量参数化形式下$H_0$的不确定性如何变化？
• RQ5 $H_0$张力是否对模型扩展具有鲁棒性，还是在更一般的宇宙学模型下会消失？

主要发现

• 在ΛCDM模型中，$H_0 = 67.95^{+0.78}_{-1.03}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，精度达1.3%，该结果由Pantheon+BAO+AP数据集得出。
• 该ΛCDM结果与SH0ES测量值$H_0 = 74.03 \pm 1.42$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$存在3.75σ张力。
• 在wCDM模型中，$H_0 = 69.81^{+2.22}_{-2.70}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，精度达3.5%，$H_0$张力显著缓解。
• 在w₀wₐCDM模型中，$H_0 = 66.75^{+3.42}_{-4.23}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$，精度达5.7%，进一步减小了与SH0ES的张力。
• $\chi^2_{\text{total}}$值分别为1127.17（ΛCDM）、1127.79（wCDM）和1126.03（w₀wₐCDM），表明各模型拟合均良好。
• 结果表明，为解决$H_0$张力，可能需要引入ΛCDM之外的新物理，如动力学暗能量。