TDCOSMO. XXIII. Measurement of the Hubble constant from the doubly lensed quasar HE1104-1805

Aquí presento un resumen técnico detallado del artículo "TDCOSMO XXIII. Medición de la constante de Hubble a partir del cuásar doblemente lenteado HE 1104−1805", estructurado según los puntos solicitados.

1. El Problema y el Contexto

El artículo aborda la tensión actual en cosmología conocida como la "tensión de $H_0$", que es la discrepancia estadísticamente significativa entre las mediciones de la constante de Hubble ($H_0$) derivadas del fondo cósmico de microondas (CMB, 67.4 km s$^{-1}$Mpc$^{-1}$) y las mediciones locales de la escalera de distancias (73.2 km s$^{-1}$Mpc$^{-1}$).

Para resolver esto, es crucial desarrollar sondas cosmológicas independientes. La cosmografía de retraso temporal (Time-Delay Cosmography, TDC) utiliza cuásares fuertemente lenteados para medir $H_0$. Históricamente, el consorcio TDCOSMO se ha centrado en cuásares cuádruplemente lenteados (4 imágenes) debido a sus restricciones de modelado de masa. Sin embargo, estos sistemas son raros. Los cuásares doblemente lenteados (2 imágenes) son mucho más abundantes (representan 3/4 de los cuásares lenteados conocidos) y ofrecen retrasos temporales precisos, pero presentan desafíos únicos en el modelado de masa y la ruptura de la degeneración de la hoja de masa (MSD). El objetivo de este trabajo es demostrar la viabilidad de utilizar dobles para alcanzar una precisión del 1% en $H_0$, complementando la muestra actual.

2. Metodología

El estudio se realizó bajo un protocolo ciego (blind analysis) para evitar sesgos del experimentador. Se analizaron cuatro ingredientes fundamentales para el sistema HE 1104−1805 ($z_s = 2.32$, $z_d = 0.729$):

A. Medición del Retraso Temporal ($\Delta t_{AB}$)

• Datos: Se combinaron 17 años de datos fotométricos de tres telescopios: SMARTS (2003-2016), Euler (ECAM, 2013-2018) y WFI (2017).
• Técnica: Se utilizó el método de ajuste de splines con nudos libres implementado en el paquete PyCS. Se modeló la variabilidad intrínseca del cuásar y la variabilidad extrínseca (microlenteado) simultáneamente.
• Procesamiento: Se generaron curvas de luz simuladas para cuantificar la incertidumbre sistemática y estadística. Se marginalizaron sobre diferentes configuraciones de hiperparámetros ($\eta$ y $n_{ml}$) para obtener un resultado robusto.

B. Cinemática Estelar Resuelta

• Datos: Observaciones con el instrumento MUSE (VLT) en modo de campo amplio con óptica adaptativa.
• Análisis: Se extrajeron espectros integrados en tres anillos concéntricos alrededor de la galaxia lente. Se utilizó el método pPXF (penalised pixel-fitting) con múltiples librerías de estrellas (Indo-US, MILES, X-shooter) para medir la dispersión de velocidad estelar proyectada ($\sigma_{LOS}$).
• Modelado: Se aplicó el modelo de Jeans anisotrópico esférico alineado (JAM) para relacionar $\sigma_{LOS}$ con el perfil de masa, asumiendo que la galaxia es un rotador lento y corrigiendo por factores de inclinación.

C. Modelado de la Lente (Imágenes HST)

• Datos: Imágenes en banda F160W del telescopio espacial Hubble (WFC3).
• Modelos de Masa: Se compararon dos familias de modelos:
  1. Potencia Ley (Power-law): Distribución de masa elíptica con pendiente $\gamma$.
  2. Compuesto: Combinación de materia bariónica (perfil doble "chameleon") y halo de materia oscura (perfil NFW).
• Perturbadores: Se incluyeron explícitamente 9 perturbadores cercanos (P1-P9) y grupos de galaxias identificados mediante espectroscopía de campo amplio, utilizando formalismos de múltiples planos de lente.
• Inferencia: Se utilizó el código Lenstronomy para el muestreo MCMC, marginalizando sobre las elecciones de modelado y los perturbadores.

D. Convergencia Externa ($\kappa_{ext}$)

• Técnica: Se utilizó la técnica de conteo de galaxias en imágenes de campo amplio (Subaru SuprimeCam) para estimar la densidad de materia a lo largo de la línea de visión.
• Resultado: Se comparó la densidad local con campos de referencia simulados (Millennium Simulation) para determinar la convergencia externa, corrigiendo el retraso temporal.

3. Contribuciones Clave

• Primera medición TDCOSMO de un doble: Este es el primer análisis completo de un sistema doblemente lenteado dentro del consorcio TDCOSMO, validando la metodología para un tipo de sistema mucho más común.
• Medición de retraso temporal de alta precisión: Se obtuvo una medición de $\Delta t_{AB} = 176.3^{+11.4}_{-10.3}$ días (5.8% de precisión), la más precisa hasta la fecha para este sistema, utilizando la curva de luz más larga y mejor muestreada.
• Cinemática de alta resolución: Se proporcionaron mediciones de dispersión de velocidad en tres bins radiales con precisiones del 5% al 13%, esenciales para romper la degeneración masa-anisotropía.
• Validación de modelos: Se demostró que, para este sistema específico, el modelo de potencia ley es preferido sobre el modelo compuesto cuando se incluyen las restricciones cinemáticas, resolviendo tensiones en el ajuste de los datos.

4. Resultados Principales

Tras combinar los cuatro ingredientes (retraso temporal, cinemática, modelado de lente y convergencia externa) y realizar el análisis ciego:

• Valor de $H_0$: Se obtuvo un valor de $H_0 = 64.2^{+5.8}_{-5.0}$ km s$^{-1}$Mpc$^{-1}$ (asumiendo $\lambda_{int} = 1$, es decir, sin degeneración interna de la hoja de masa).
• Precisión: La precisión alcanzada es del 8.5%, comparable a las mejores mediciones de cuásares cuádruples individuales (4-6%).
• Distancias: Se midió la distancia de retraso temporal $D_{\Delta t} = 5083^{+504}_{-487}$ Mpc y la distancia angular al deflector $D_d = 1921^{+254}_{-236}$ Mpc.
• Preferencia de Modelo: El modelo de potencia ley favoreció significativamente el ajuste cinemático en comparación con el modelo compuesto, que falló en ajustar el perfil de velocidad en el bin más interno.

5. Significado e Implicaciones

• Escalabilidad: Este trabajo demuestra que los cuásares dobles pueden alcanzar precisiones competitivas en la medición de $H_0$, lo que permite expandir la muestra de TDCOSMO por un factor de 5. Esto es crucial para reducir el ruido estadístico y alcanzar el objetivo final de una precisión del 1%.
• Mitigación de Sesgos: Al incluir dobles, se reduce el riesgo de sesgos de selección inherentes a la muestra actual, que está dominada por cuádruples (que requieren alineaciones y elipticidades específicas).
• Próximo Paso: Este sistema se integrará en el próximo análisis jerárquico de TDCOSMO, que modelará conjuntamente múltiples lentes para restringir simultáneamente el parámetro de degeneración interna de la hoja de masa ($\lambda_{int}$) y $H_0$, eliminando la necesidad de asumir $\lambda_{int} = 1$.

En resumen, este artículo es un "punto de inflexión" (stepping stone) que valida la metodología de la cosmografía de retraso temporal en sistemas dobles, abriendo la puerta a una nueva era de mediciones de $H_0$ con mayor volumen de datos y menor incertidumbre sistemática.