Model-independent late-universe measurements of $H_0$ and $\Omega_K$ with the parametrization based on cosmic age-improved inverse distance ladder

Resumen Técnico: Mediciones del Universo Tardío de $H_0$ y $\Omega_K$ Independientes de Modelo

Planteamiento del Problema
El modelo cosmológico estándar $\Lambda$CDM enfrenta desafíos significativos, notablemente la "tensión de Hubble", donde las mediciones de la escala de distancia local (por ejemplo, SH0ES) arrojan $H_0 \sim 72-75$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, mientras que las observaciones del universo temprano (por ejemplo, el CMB de Planck) asumiendo $\Lambda$CDM arrojan $\sim 66-68$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. Esta discrepancia alcanza una significancia de $4-6\sigma$. Adicionalmente, existen inconsistencias con respecto al parámetro de curvatura $\Omega_K$: los datos del CMB de Planck por sí solos sugieren una desviación de un universo plano ($\Omega_K \neq 0$) al nivel de $3\sigma$, mientras que las combinaciones con datos de Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) favorecen un universo plano. La mayoría de las resoluciones propuestas para la tensión de Hubble asumen un universo plano como un prior, lo que puede introducir degeneraciones o exacerbar las tensiones si la curvatura es no nula. Por lo tanto, es crucial realizar una medición conjunta, independiente del modelo, de $H_0$ y $\Omega_K$ utilizando datos del universo tardío.

Metodología
Los autores emplean el marco de la Escalera de Distancia Inversa (IDL), que calibra la magnitud absoluta de las supernovas de Tipo Ia ($M_B$) anclando el horizonte de sonido de BAO ($r_d$) mediante observaciones del universo tardío, evitando así los priors del CMB del universo temprano.

1. Parametrizaciones: Para minimizar la dependencia de modelos cosmológicos específicos, el estudio utiliza dos parametrizaciones basadas en la edad cósmica:
   • PAge: Una parametrización basada en la edad cósmica expandida al orden cuadrático en $t/t_0$, definida por los parámetros $p_{age}$ y $\eta$.
   • MAPAge: Una extensión de PAge al orden cúbico en el tiempo cósmico, que introduce un parámetro adicional $\eta_2$ para contabilizar el parámetro jerk, ofreciendo mayor precisión y flexibilidad a través de rangos de desplazamiento al rojo extendidos.
2. Conjuntos de Datos: El análisis combina los últimos datos de DESI DR2 BAO con:
   • Supernovas: La muestra DESY5 y la muestra re-calibrada de DES-Dovekie.
   • Calibradores: Lentes Gravitacionales Fuertes (SGL) de TDCOSMO, Cronómetros Cósmicos (CC) y Brotes de Rayos Gamma (GRB) estandarizados mediante la correlación de Amati.
3. Análisis Estadístico: Se realiza una inferencia bayesiana utilizando el paquete Cobaya y el muestreador anidado PolyChord. Las comparaciones de modelos se realizan mediante el factor de Bayes ($\ln B_{ij}$) interpretado a través de la escala de Jeffreys.

Contribuciones Clave y Resultados

• Mediciones de $H_0$:

  • Usando el conjunto de datos combinado (DESI + DES-Dovekie + SGL + CC + GRB), el estudio obtiene valores de $H_0$ independientes del modelo de $72.63 \pm 0.96$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ (PAge) y $72.20 \pm 1.00$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ (MAPAge).
  • Estos resultados reducen la tensión con la medición de SH0ES a $0.3\sigma$ (PAge) y $0.6\sigma$ (MAPAge).
  • La precisión de estas mediciones del universo tardío supera la de la medición de SH0ES.
  • Los modelos PAge y MAPAge generalmente arrojan valores de $H_0$ más bajos que $\Lambda$CDM al ajustar los mismos datos, lo que refleja una preferencia en los datos actuales de DESI por tasas de expansión más bajas potencialmente vinculadas a la dinámica de la energía oscura.

• Restricciones de Curvatura ($\Omega_K$):

  • En el modelo $\Lambda$CDM + $\Omega_K$, los datos muestran una preferencia de $\sim 2\sigma$ por una curvatura positiva ($\Omega_K \approx 0.05-0.09$), consistente con la "tensión de curvatura" observada en otros análisis.
  • Sin embargo, al emplear los marcos independientes del modelo PAge y MAPAge, esta preferencia desaparece. Los datos combinados arrojan $\Omega_K = 0.005 \pm 0.037$ (MAPAge + $\Omega_K$), indicando consistencia con un universo espacialmente plano dentro del rango de $1\sigma$.
  • Esto sugiere que la aparente preferencia de curvatura en $\Lambda$CDM puede ser un artefacto de la rigidez del modelo más que una realidad física.

• Comparación de Modelos:

  • El análisis de evidencia bayesiana indica que los datos actuales del universo tardío proporcionan evidencia débil a moderada a favor de los modelos PAge y MAPAge sobre el modelo $\Lambda$CDM + $\Omega_K$.
  • Específicamente, el modelo MAPAge es favorecido sobre $\Lambda$CDM + $\Omega_K$ con un factor de Bayes de $\ln B \approx 3.30$ (evidencia moderada) para la combinación completa de datos.

Significancia
El artículo demuestra que el uso de parametrizaciones basadas en la edad cósmica dentro de un marco de escalera de distancia inversa permite obtener restricciones de alta precisión e independientes del modelo para $H_0$ y $\Omega_K$. La principal significancia reside en el hallazgo de que la aparente tensión de curvatura y la severidad de la tensión de Hubble son sensibles a los supuestos del modelo cosmológico subyacente. Al alejarse del prior rígido de $\Lambda$CDM hacia descripciones más flexibles e independientes del modelo (PAge/MAPAge), los datos apoyan consistentemente un universo plano ($\Omega_K = 0$) y alivian significativamente la tensión de Hubble. Los autores concluyen que las sondas del universo tardío actual proporcionan mediciones de $H_0$ competitivas con las basadas en el CMB, mientras apoyan robustamente la planitud espacial, independientemente de los priors del universo temprano.