[论文解读] The Hubble constant tension: current status and future perspectives through new cosmological probes

Maria Giovanna Dainotti, Biagio De Simone+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 14

一句话总结

本论文综述 H0 张力，分析使用 SNe Ia 与 BAOs 的 redshift 依赖 H0 演化，并讨论通过修正引力与高 redshift 探针（如 GRBs 与 QSOs）来解决的潜在途径。

ABSTRACT

The Hubble constant ($H_0$) tension is one of the major open problems in modern cosmology. This tension is the discrepancy, ranging from 4 to 6 $σ$, between the $H_0$ value estimated locally with the combination of Supernovae Ia (SNe Ia) + Cepheids and the cosmological $H_0$ obtained through the study of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation. The approaches adopted in Dainotti et al. 2021 (ApJ) and Dainotti et al. 2022 (Galaxies) are introduced. Through a binning division of the Pantheon sample of SNe Ia (Scolnic et al. 2018), the value of $H_0$ has been estimated in each of the redshift-ordered bins and fitted with a function lowering with the redshift. The results show a decreasing trend of $H_0$ with redshift. If this is not due to astrophysical biases or residual redshift evolution of the SNe Ia parameters, it can be explained in light of modified gravity theories, e.g., the $f(R)$ scenarios. We also briefly describe the possible impact of high-$z$ probes on the Hubble constant tension, such as Gamma-ray bursts (GRBs) and Quasars (QSOs), reported in Dainotti et al. 2022 (Galaxies) and Lenart et al. 2022 (ApJ), respectively.

研究动机与目标

• 将 H0 张力作为宇宙学中的一个核心未解问题进行动机阐述，并评估是否可以从数据或新物理中得到随 redshift 变化的 H0。
• 使用 Pantheon SNe Ia 与 BAOs 探究 H0(z) 演化，以测试随 redshift 的趋势。
• 探索理论框架（例如 f(R) 引力）可能产生有效的随 redshift 变化的 H0。
• 评估高 redshift 标准烛（GRBs、QSOs）在提供宇宙学参数方面的潜力。
• 讨论偏差与可解决张力的替代宇宙学模型

提出的方法

• 将 Pantheon SNe Ia 样本按 redshift 分箱，并在 ΛCDM 与 w0-wa CDM 下进行 MCMC 分析，以估计各箱中的 H0。
• 用 f(z)=H̃0/(1+z)^α 对分箱的 H0(z) 进行拟合，以量化 Hubble 常数的 redshift 演化。
• 在 Part II 中包含 BAOs 并允许 H0 和 Ωm 变化；测试 ΛCDM 与 CPL 参数化，采用 3-bin 划分。
• 描述可能通过重新标定的爱因斯坦常数在 Jordan 场景中产生 H0 演化的 f(R) 引力情景。
• 概述 GRB 与 QSO 的标准化关系（Dainotti 等人 2D 相关关系；RL 关系）作为未来探针，用于约束 H0 与 Ωm。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 SNe Ia 数据在 redshift 分箱并允许随宇宙学参数变化时，H0 张力是否仍然存在？
• RQ2 在包含 BAOs 数据时，ΛCDM 或 CPL 框架中是否存在统计学上显著的 H0 的 redshift 演化（由 α 量化）？
• RQ3 改良引力理论（如 Jordan framing 的 f(R)）是否能够在不与其他宇宙学约束冲突的前提下再现观察到的 H0(z) 趋势？
• RQ4 高 redshift 探针如 GRBs 和 QSOs 如何改进 Ωm 与 H0 的约束，并有可能缓解张力？

主要发现

• 在 Pantheon SNe Ia 数据中检测到 H0 随 redshift 的轻微下降趋势，α 的数量级约为几×10^-3 至 10^-2，取决于分箱与模型。
• 在包含 BAOs 并变动参数后，ΛCDM 下零演化的显著性降低（3-bin 中 α ≈ 0.008±0.006，1.2σ；CPL 在某些情况下显示更大张力）。
• Jordan 场景下的 f(R) 引力理论在原理上可以产生爱因斯坦常数的重新标定，从而模拟 H0(z) 演化，尽管具体模型（如 Hu-Sawicki）并未完全解释该趋势。
• GRBs 与 QSOs 通过 Dainotti 的 2D 关系和 RL 关系，在约束 Ωm 和将距离尺度扩展到更高 redshift 的潜力方面显示出希望，可能在 2030 年前达到与 SNe Ia 相同的精度（GRBs）。
• 将 SNe Ia 与 BAO 的联合分析结合扩展探针，表明 H0 张力可能持续存在或因引力模型及数据组合而有所改变。