[论文解读] Quasar cosmology: dark energy evolution and spatial curvature

G. Bargiacchi, M. Benetti+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本研究结合类星体（QSO）光度关系、Ia型超新星（SNe Ia）和重子声学振荡（BAO）数据，检验暗能量演化与空间曲率。结果表明，SNe+QSO数据支持幽灵型暗能量情景（$w_0 < -1$，$w_a > 0$），且$ Omega_{M,0} > 0.3$；而BAO数据支持平坦$ Lambda$CDM模型；联合SNe+QSO+BAO数据集在2–3$ sigma$显著性水平下拒绝标准$ Lambda$CDM模型。

ABSTRACT

We analyse some open debates in cosmology in light of the most updated quasar (QSO) sample, covering a wide redshift range up to $z\sim7.5$, combined with type Ia supernovae (SNe) and baryon acoustic oscillations (BAO). Indeed, extending the cosmological analyses with high-redshift data is key to distinguishing between different cosmological models that are degenerate at low redshifts, and allowing better constraints on a possible dark energy (DE) evolution. Also, we discuss combinations of BAO, SNe, and QSO data to understand their compatibility and implications for extensions of the standard cosmological model. Specifically, we consider a flat and non-flat $Λ\mathrm{CDM}$ cosmology, a flat and non-flat DE model with a constant DE equation of state parameter ($w$), and four flat DE models with variable $w$, namely the Chevallier-Polarski-Linder and Jassal-Bagla-Padmanabhan models, and an "exponential" and Barboza-Alcaniz parameterisations. We find that a joint analysis of QSO+SNe with BAO is only possible in the context of a flat Universe. Indeed BAO confirms the flatness condition assuming a curved geometry, whilst SNe+QSO show evidence of a closed space. We also find $Ω_{M,0}=0.3$ in all data sets assuming a flat $Λ\mathrm{CDM}$ model. Yet, all the other models show a statistically significant deviation at 2-3$σ$ with the combined SNe+QSO+BAO data set. In the models where DE density evolves with time, SNe+QSO+BAO data always prefer $Ω_{M,0}&gt;0.3$, $w_{0}&lt;-1$ and $w_{a}&gt;0$. This DE phantom behaviour is mainly driven by SNe+QSO, while BAO are closer to the flat $Λ\mathrm{CDM}$ model.

研究动机与目标

• 利用高红移类星体作为宇宙距离指示器，检验标准平坦$ Lambda$CDM模型。
• 研究BAO、SNe Ia与QSO数据在约束空间曲率与暗能量演化方面的张力。
• 评估SNe+QSO+BAO数据在具有时变暗能量的拓展宇宙学模型中的相容性。
• 确定观测到的暗能量行为是否由高红移QSO驱动，或由低红移BAO主导。
• 评估非平坦与时变暗能量模型中$ Omega_{M,0} = 0.3$与$w_0 = -1$偏离的统计显著性。

提出的方法

• 利用红移高达$z \sim 7.5$的高红移QSO样本，结合非线性紫外-X射线光度关系，估算光度距离。
• 将QSO距离估计与SNe Ia哈勃图及BAO尺度测量相结合，将宇宙学约束扩展至$z > 2$。
• 采用贝叶斯统计框架，拟合多种模型的宇宙学参数：平坦/非平坦$ Lambda$CDM、$w$CDM及时间变$w$模型（CPL、JBP、指数型、BA）。
• 应用似然分析评估参数约束及对$ Lambda$CDM偏离的统计显著性。
• 利用边际后验分布与$\Delta\chi^2$比较评估模型相容性与张力。
• 对SNe+QSO+BAO数据集进行联合分析，检验一致性并识别数据组合中的系统偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学分析中引入高红移类星体是否会揭示对标准平坦$ Lambda$CDM模型的偏离？
• RQ2 SNe Ia、QSO与BAO数据在约束空间曲率与暗能量演化方面表现如何比较？
• RQ3 在不同数据组合与宇宙学模型中，$ Omega_{M,0}$与$w_0$的观测张力是否一致？
• RQ4 联合SNe+QSO+BAO数据集能否在高显著性水平下排除标准$ Lambda$CDM模型？
• RQ5 在非平坦与时变暗能量模型中，BAO数据在调和或加剧SNe+QSO结果方面扮演何种角色？

主要发现

• 在平坦$ Lambda$CDM模型中，$ Omega_{M,0} = 0.3$与所有数据集（包括SNe+QSO与BAO）一致。
• 在所有具有时变暗能量的模型中，联合SNe+QSO+BAO数据集在2–3$ sigma$显著性水平下拒绝标准$ Lambda$CDM模型。
• 仅SNe+QSO数据支持幽灵型暗能量情景，表现为$w_0 < -1$且$w_a > 0$，表明随时间负方程状态持续增强。
• 仅BAO数据与平坦$ Lambda$CDM模型一致，未显示显著张力，$ Omega_{M,0} \approx 0.3$且$w_a \approx 0$。
• 在非平坦模型中，BAO数据证实空间平坦性，而SNe+QSO数据表明宇宙为闭合，导致联合分析中不相容。
• 联合数据集中向$ Omega_{M,0} = 0.3$与$w_a = 0$的偏移主要由BAO驱动，其将约束拉向标准模型。