[论文解读] New Observational $H(z)$ Data from Full-Spectrum Fitting of Cosmic Chronometers in the LEGA-C Survey

Kang Jiao, Nicola Borghi+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 10

一句话总结

本研究利用来自LEGA-C巡天的350个大质量、无星系的全谱拟合，获得了z=0.8处新的H(z)测量结果，得出H(z=0.8) = 113.1 ± 15.1（统计）⁺²⁹.¹₋₁¹.³（系统）km s⁻¹ Mpc⁻¹。该方法通过光谱能量分布拟合稳健地确定了相对年龄，经Lick指数结果验证，表明不同独立技术之间的一致性，进一步支持宇宙时钟方法作为宇宙膨胀可靠探针的有效性。

ABSTRACT

In this work, we perform a full-spectrum fitting of 350 massive and passive galaxies selected as cosmic chronometers from the LEGA-C ESO public survey to derive their stellar ages, metallicities, and star-formation histories. We extensively test our results by assessing their dependence on the possible contribution of dust, calibration of noise and signal, and the use of photometric data in addition to spectral information; we as well identify indicators of the correct convergence of the results, including the shape of the posterior distributions, the analysis of specific spectral features, and the correct reproduction of the observed spectrum. We derive a clear age-redshift trend compatible with the aging in a standard cosmological model, showing a clear downsizing pattern, with more massive galaxies being formed at higher redshift ($z_f\sim2.5$) with respect to lower massive ones ($z_f\sim2$). From these data, we measure the differential aging of this population of cosmic chronometers to derive a new measurement of the Hubble parameter, obtaining $H(z=0.8) = 113.1 \pm 15.1 (\mathrm{stat.}) ^{+29.1}_{-11.3} (\mathrm{syst.})\ \mathrm{ km\ s^{-1}\ Mpc^{-1}}$. This analysis allows us for the first time to compare the differential ages of cosmic chronometers measured on the same sample with two completely different methods, the full-spectrum fit (this work) and the analysis of Lick indices, known to correlate with the age and metallicity of the stellar populations \citep{Borghi2022a}. Albeit an understood offset in the absolute ages, the differential ages have proven to be extremely compatible between the two methods, despite the very different data, assumptions, and models considered, demonstrating the robustness of the method.

研究动机与目标

• 利用来自LEGA-C巡天的宇宙时钟，在中等红移处精确测量哈勃参数。
• 通过评估尘埃、噪声校准和测光数据包含等系统效应，检验在大质量、无星系中进行全谱拟合的星族合成方法的稳健性。
• 将同一组样本中通过全谱拟合获得的相对年龄与Lick指数结果进行比较，以验证方法上的一致性。
• 研究金属丰度-红移演化及其与光谱拟合中尘埃的潜在退化关系，确保年龄和H(z)估计的准确性。
• 提供一种高精度、独立的宇宙学探针，以在ΛCDM模型一致性背景下评估哈勃张力问题。

提出的方法

• 使用Bagpipes星族合成代码对LEGA-C巡天中350个大质量、无星系的综合光谱进行全谱拟合。
• 采用贝叶斯推断与MultiNest方法，探索恒星年龄、金属丰度、尘埃消光及恒星形成历史参数的后验分布。
• 通过收敛性诊断、光谱特征分析以及观测光谱与合成光谱的对比，验证结果的可靠性。
• 通过改变模型假设（包括尘埃建模、噪声校准以及测光数据的包含）来测试系统效应。
• 从全谱拟合结果中推导出相对年龄，通过公式dE/dz = -H(z) × E(z)计算H(z)，其中E(z) = H(z)/H₀。
• 将由此获得的相对年龄与同一组样本中通过Lick指数分析（PyLick）得到的年龄进行比较，以评估跨方法的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对星系光谱进行全谱拟合是否能为宇宙时钟提供稳健且精确的相对年龄测量？
• RQ2 尘埃消光和噪声校准等系统效应如何影响推导出的星族合成参数及H(z)估计值？
• RQ3 在相同样本中，全谱拟合获得的H(z)测量值与Lick指数分析结果在多大程度上一致？
• RQ4 在无星系中，金属丰度-红移演化起什么作用，其与光谱拟合中尘埃的退化关系如何影响结果？
• RQ5 全谱拟合方法是否可作为宇宙膨胀历史的可靠、独立探针，尤其在哈勃张力的背景下？

主要发现

• 本研究通过LEGA-C巡天中350个星系的全谱拟合，得出H(z=0.8) = 113.1 ± 15.1（统计）⁺²⁹.¹₋₁¹.³（系统）km s⁻¹ Mpc⁻¹。
• 发现红移相关的微弱金属丰度演化实际源于与尘埃消光的退化关系，当从模型中排除尘埃时，该演化现象消失。
• 星族金属丰度平均为超太阳值（⟨Z/Z⊙⟩ = 1.44 ± 0.56），与先前Lick指数结果（Z/Z⊙ ≈ 1.1）一致。
• 尽管使用了不同的数据、模型和假设，通过全谱拟合获得的相对年龄与Lick指数分析结果表现出极佳的一致性。
• 当从模型中移除尘埃后，哈勃参数估计值仅变化1.1%以内，证实了基线结果的稳健性。
• 样本规模接近以往类似研究的两倍，且统计误差按预期随√N变化，表明未来巡天具备显著提升精度的潜力。