Newest measurements of Hubble constant from DESI 2024 BAO observations

Resumen Técnico: Nuevas Mediciones de la Constante de Hubble a partir de las Observaciones de BAO de DESI 2024

Planteamiento del Problema
El artículo aborda la persistente "tensión de Hubble", una discrepancia significativa entre las mediciones de la constante de Hubble ($H_0$) derivadas del Universo temprano (por ejemplo, los datos del CMB de Planck que arrojan $H_0 \approx 67.4$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$) y aquellas del Universo tardío (por ejemplo, los datos de SN Ia de SH0ES que arrojan $H_0 \approx 73.04$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$). Esta tensión, actualmente en un nivel de significancia de 5–6$\sigma$, desafía el modelo cosmológico estándar $\Lambda$CDM. Los intentos previos para resolver esto utilizando Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) a menudo dependían de la escala del horizonte de sonido ($r_d$) en la época de arrastre, utilizando efectivamente un prior dependiente de la física del Universo temprano o de la calibración del CMB. Los autores buscan determinar $H_0$ utilizando un enfoque puramente impulsado por los datos e independiente del modelo, que evite la necesidad de la calibración de $r_d$ o la calibración intrínseca de la luminosidad de las Supernovas de Tipo Ia (SN Ia).

Metodología
Los autores utilizan las últimas mediciones de BAO del Instrumento de Espectroscopía de Energía Oscura (DESI) Data Release 1 (DR1), que cubren el rango de redshift $z = 0.51 - 2.33$. El núcleo de su método se basa en la Relación de Dualidad de Distancia (DDR), $d_L(z) = (1+z)^2 d_A(z)$, que vincula la distancia de luminosidad ($d_L$) y la distancia de diámetro angular ($d_A$) en cualquier teoría métrica de la gravedad donde se conserve el número de fotones.

La constante de Hubble se formula como:
$$H_0 = \frac{1}{(1+z)^2} \frac{\Xi_{\text{SNIa}}(z)}{\Xi_{\text{BAO}}(z)} H_{\text{CC}}(z)$$
donde:

• $\Xi_{\text{SNIa}}(z) = H_0 d_L(z)$ es la distancia de luminosidad no anclada derivada de las magnitudes aparentes de las SN Ia.
• $\Xi_{\text{BAO}}(z) = H(z) d_A(z)$ se deriva de las mediciones de DESI BAO de distancias comóviles transversales ($D_M$) y en la línea de visión ($D_H$). Crucialmente, la razón $D_M/D_H$ permite el cálculo de $H(z)d_A(z)$ sin conocer el valor absoluto del horizonte de sonido $r_d$.
• $H_{\text{CC}}(z)$ es el parámetro de Hubble medido directamente mediante cronómetros cósmicos (CC).

Para evaluar esta ecuación en los redshifts específicos de los cinco puntos de datos de DESI BAO, los autores emplean la regresión de Procesos Gaussianos (GP) para reconstruir las funciones continuas de $H_0 d_L(z)$ (del conjunto de datos de SN Ia Pantheon+) y $H(z)$ (de una compilación de 32 mediciones de CC). La regresión GP utiliza el modelo $\Lambda$CDM como función media previa, pero está diseñada para ser independiente del modelo en su salida final, seleccionando las curvas que mejor se ajustan mediante la minimización de $\chi^2$. El análisis marginaliza las incertidumbres sistemáticas utilizando matrices de covarianza tanto para los datos de SN Ia como para los de CC.

Contribuciones Clave

1. Determinación de $H_0$ Independiente del Modelo: El artículo demuestra un método para restringir $H_0$ utilizando datos de BAO sin depender de la escala del horizonte de sonido ($r_d$) o de la calibración de la magnitud absoluta ($M_B$) de las SN Ia. Esto elimina la circularidad que a menudo se encuentra en los análisis de la escala de distancia que dependen de priors del Universo temprano.
2. Integración de DESI DR1: El estudio incorpora las últimas mediciones de alta precisión de DESI BAO, que ofrecen una precisión mayor (aprox. 0.49%) en la escala isotrópica en comparación con los sondeos SDSS anteriores, a pesar de cubrir solo la mitad del área prevista para el sondeo.
3. Reconstrucción Robusta: Al utilizar la regresión GP con un prior de $\Lambda$CDM fiduciario, los autores muestran que los resultados de la reconstrucción son robustos frente a la elección de la función media (comparando $\Lambda$CDM y $w_0w_a$CDM) y al número de curvas reconstruidas, confirmando la estabilidad del método.

Resultos
Utilizando las restricciones conjuntas de cinco redshifts de DESI BAO ($z = 0.51, 0.706, 0.93, 1.317, 2.33$), los autores derivan una constante de Hubble de:
$$H_0 = 68.4^{+1.0}_{-0.8} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$$
a un nivel de confianza del 68%, lo que corresponde a una precisión del 1.3%.

• Consistencia: Este resultado está en excelente acuerdo (dentro de 1$\sigma$) con los resultados de Planck CMB ($67.4 \pm 0.5$) y los resultados del Punta de la Rama Gigante Roja (TRGB) ($68.5 \pm 1.5$).
• Tensión: La medición mantiene una tensión de 4.3$\sigma$ con los resultados del proyecto SH0ES ($73.04 \pm 1.04$).
• Análisis de Sensibilidad: Los autores señalan que la inclusión del trazador de Galaxias Rojas Luminosas (LRG) introduce una influencia no despreciable. Excluir puntos de datos específicos de LRG desplaza ligeramente el resultado (por ejemplo, a $69.7^{+1.1}_{-1.0}$ sin LRG1), resaltando posibles efectos sistemáticos en el trazador LRG que requieren investigaciones futuras en los datos de 3 y 5 años de DESI.
• Extrapolación de Alto Redshift: El análisis reconoce que el punto de Lyman-$\alpha$ ($z=2.33$) se encuentra fuera del rango de redshift de los datos de SN Ia y CC, lo que podría introducir un sesgo. Excluir este punto produce una estimación corregida de $68.6 \pm 1.0$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, la cual sigue siendo consistente con el resultado principal.

Significancia
El artículo afirma que este resultado proporciona una medición cosmológica fundamental con supuestos mínimos, basándose únicamente en reconstrucciones impulsadas por los datos. Los autores argumentan que la persistencia de la tensión entre este resultado basado en DESI y las mediciones locales de SH0ES sugiere que la tensión de Hubble no es meramente una discrepancia entre observaciones de bajo y alto redshift (dado que DESI sondea redshifts intermedios), sino que apunta a una diferencia física más profunda entre el Universo temprano y el tardío. El trabajo respalda la validez de la historia de expansión del modelo estándar $\Lambda$CDM, al tiempo que destaca la necesidad de investigar los efectos sistemáticos en las escalas de distancia locales o nueva física en el Universo temprano para resolver la tensión restante.