[论文解读] Prospects of high redshift constraints on dark energy models with the Ep- Eiso correlation in long Gamma Ray Bursts

M. Demiański, E. Piedipalumbo+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究利用由193个长伽马射线暴（GRBs）、Ia型超新星（SNe Ia）和28个直接哈勃参数测量组成的联合哈勃图，研究长伽马射线暴（GRBs）中Ep,i–Eiso相关性在高红移下约束暗能量模型的潜力。结果表明，具有指数势的最小耦合的标量场暗能量模型略优于CPL参数化和早期暗能量模型，未来如THESEUS任务的伽马射线暴巡天有望显著提升对暗能量演化的约束。

ABSTRACT

So far large and different data sets revealed the accelerated expansion rate of the Universe, which is usually explained in terms of dark energy. The nature of dark energy is not yet known, and several models have been introduced: a non zero cosmological constant, a potential energy of some scalar field, effects related to the non homogeneous distribution of matter, or effects due to alternative theories of gravity. Recently, a tension with the flat {\Lambda}CDM model has been discovered using a high-redshift Hubble diagram of supernovae, quasars, and gamma-ray bursts. Here we use the Union2 type Ia supernovae (SNIa) and Gamma Ray Bursts (GRB) Hubble diagram, and a set of direct measurements of the Hubble parameter to explore different dark energy models. We use the Chevallier-Polarski- Linder (CPL) parametrization of the dark energy equation of state (EOS), a minimally coupled quintessence scalar field, and, finally, we consider models with dark energy at early times (EDE). We perform a statistical analysis based on the Markov chain Monte Carlo (MCMC) method, and explore the probability distributions of the cosmological parameters for each of the competing models. We apply the Akaike Information Criterion (AIC) to compare these models: our analysis indicates that an evolving dark energy, described by a scalar field with exponential potential seems to be favoured by observational data.

研究动机与目标

• 检验长伽马射线暴（GRBs）中Ep,i–Eiso相关性作为高红移宇宙学距离指示器的可行性，以探测暗能量。
• 利用来自GRBs、SNe Ia和直接H(z)测量的联合哈勃图，比较CPL参数化、最小耦合的标量场暗能量模型以及早期暗能量（EDE）等竞争性暗能量模型。
• 使用赤池信息准则（AIC）评估这些模型的统计偏好，并评估未来如THESEUS任务等空间任务的前景。

提出的方法

• 通过引入幂律红移依赖项，将Ep,i–Eiso相关性扩展以包含红移演化，以考虑引力透镜等潜在系统误差的影响。
• 采用局部回归技术对193个高红移GRB样本校准Ep,i–Eiso关系，并通过子样本和替代校准方法进行一致性检验。
• 将校准后的GRB哈勃图与Union2 SNe Ia样本及来自宇宙时钟的28个直接H(z)测量值结合，以约束宇宙学参数。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）模拟计算模型参数的完整后验概率分布。
• 应用赤池信息准则（AIC）比较模型性能，优先选择拟合更好且参数更少的模型。
• 基于THESEUS任务的预期灵敏度和红移分布，模拟了772个和1500个GRB的虚拟样本，以预测未来约束能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑红移演化后，长伽马射线暴（GRBs）中的Ep,i–Eiso相关性是否可作为高红移宇宙学距离指示器可靠使用？
• RQ2 在结合GRBs、SNe Ia和H(z)数据的情况下，CPL参数化、标量场暗能量模型或早期暗能量模型中，哪一模型在统计上更占优？
• RQ3 未来如THESEUS任务的伽马射线暴巡天将如何提升对暗能量状态方程及其演化的约束？
• RQ4 在与GRBs和SNe Ia结合时，包含直接H(z)测量在多大程度上提升了宇宙学参数估计的精度？

主要发现

• 当采用幂律红移依赖关系校准后，Ep,i–Eiso相关性在红移上无显著系统性演化，支持其作为稳健的高红移距离指示器。
• 具有指数势的最小耦合标量场暗能量模型在统计上优于CPL参数化和早期暗能量模型，ΔAIC ≈ 5 和 ΔAIC ≈ 9 分别对应。
• 基于THESEUS任务预期的772个GRB虚拟样本显著提升了宇宙学约束，确认该标量场模型为首选候选。
• 当虚拟样本大小从772个增至1500个GRBs时，CPL模型的“效能因子”（FoM）提高2.5倍，表明未来具有强大改进潜力。
• 早期暗能量模型中的减速参数q(z)表现出明显演化，q(z)在z ≈ 2.5附近达到最小值，与加速膨胀的瞬态阶段一致。