[论文解读] Uncorrelated estimations of $H_0$ redshift evolution from DESI baryon acoustic oscillation observations

X. D. Jia, Jian-Ping Hu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2024

Geophysics and Gravity Measurements被引用 4

一句话总结

本研究使用带有对角化协方差矩阵的非参数估计方法，分析DESI第一年重子声学振荡（BAO）数据，揭示了在红移上存在显著的8.6σ下降趋势，即哈勃常数$H_0$随红移减小。该结果支持哈勃参数动态演化，为在平坦$\Lambda$CDM框架内缓解哈勃张力提供了潜在解决方案。

ABSTRACT

The Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) collaboration recently released the first year data of baryon acoustic oscillations (BAOs). Based on the five different tracers, the cosmological constraint shows a hint of deviation from the standard $Λ$CDM model. In this letter, we combine the DESI BAOs with other cosmic probes to constrain the evolution of Hubble constant as a function of redshift in the flat $Λ$CDM model. The non-parametric method is used to estimate the value of Hubble constant at different redshift bins. The correlation among different bins are removed by diagonalizing the covariance matrix. The joint data sample demonstrate a decreasing trend of Hubble constant with a significance of $6.4 σ$, which can naturally resolve the Hubble tension. To avoid statistical effects caused by the binning methods, we tested other three different binning methods and also found a decreasing trend. It may be due to dynamical dark energy or modified gravity.

研究动机与目标

• 利用最新的DESI重子声学振荡（BAO）数据，研究哈勃常数$H_0$的红移演化特性。
• 检验观测到的哈勃张力是否可通过红移依赖的$H_0$而非恒定值来解决。
• 应用非参数方法，消除不同红移区间内$H_0$估计值之间的相关性，以获得更稳健的宇宙学约束。
• 将DESI BAO数据与$H(z)$、Pantheon+ Ia型超新星及BAO数据结合，以改进对$H_0(z)$演化的约束。
• 评估$H_0(z)$下降趋势的显著性，并评估其对动力学暗能量或修正引力模型的启示。

提出的方法

• 采用非参数方法，在$z=0$至$z=2.4$的九个红移区间内估计$H_0$，避免对演化形式施加参数化假设。
• 使用主成分分析（PCA）对协方差矩阵进行对角化，从而消除不同红移区间内$H_0$估计值之间的相关性。
• 结合DESI第一年BAO测量结果——来自五种示踪体的$D_M/r_d$、$D_H/r_d$和$D_V/r_d$：明亮星系、明亮红巨星、发射线星系、类星体以及Lyman-$\alpha$森林。
• 整合额外数据：33个来自宇宙时钟的$H(z)$测量值、12个古老的BAO测量值，以及来自Pantheon+样本的1550个Ia型超新星。
• 应用零假设检验来量化$H_0(z)$下降趋势的显著性，使用检验统计量$\chi^2_{\text{null}}$。
• 使用Planck 2020确定的声学视界$r_d = 147.1$ Mpc对所有BAO距离进行校准。

Figure 1: Fitting results of $H_{0}(z)$ in nine redshift bins. Panel (a) shows the value of $H_{0}(z)$ as a function of redshift. There is a clear decreasing trend with $8.6\sigma$ significance between $z=0$ to $z=1.1$ . The green line gives $H_{0}=73.04\pm 1.04$ km s -1 Mpc -1 from the local distan

实验结果

研究问题

• RQ1 当受最新DESI BAO数据约束时，哈勃常数是否表现出可测量的红移演化？
• RQ2 在红移范围$0 \leq z \leq 2.4$内，$H_0(z)$下降趋势的统计显著性如何？
• RQ3 与以往研究相比，DESI第一年BAO数据在多大程度上改善了对$H_0(z)$演化的约束？
• RQ4 观测到的$H_0$演化是否能在不引入$\Lambda$CDM模型之外的新物理的前提下，解决哈勃张力问题？
• RQ5 Ia型超新星或BAO数据中的系统不确定性在多大程度上影响了推断出的$H_0(z)$演化？

主要发现

• 观测到哈勃常数随红移显著下降，统计显著性达$8.6\sigma$。
• 低红移区（$z \lesssim 0.1$）的$H_0$值与本地距离阶梯测量结果（$H_0 \approx 73.2$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）在$1\sigma$范围内一致。
• 高红移区（$z \approx 2.4$）的$H_0$值与Planck 2020通过CMB推导的$H_0$（$H_0 \approx 67.4$ km s⁻¹ Mpc⁻¹）在$1\sigma$范围内一致。
• 与以往研究相比，DESI BAO数据显著收紧了对高红移$H_0(z)$的约束，降低了不确定性。
• 采用对角化协方差矩阵的非参数方法成功消除了区间间的相关性，提升了$H_0(z)$估计的可靠性。
• Ia型超新星中的系统不确定性，包括拉伸参数和造父变星校准，贡献小于0.7 km s⁻¹ Mpc⁻¹，不足以解释观测到的$H_0$演化。

Figure 2: Corner plot of $H_{0,z}$ values in units of km s -1 Mpc -1 . The panels on the diagonal show the 1D posterior probability distribution for each parameter obtained by marginalizing over the other parameters. The off-diagonal panels show two-dimensional projections of the posterior probabili