The DESI DR1 Peculiar Velocity Survey: global zero-point and $H_0$ constraints

Resumen Técnico: El Sondeo de Velocidades Peculiares de DESI DR1: Punto Cero Global y Restricciones de $H_0$

Planteamiento del Problema
Aunque los sondeos de galaxias de desplazamiento al rojo proporcionan desplazamientos al rojo espectroscópicos precisos, no pueden distinguir entre las velocidades de recesión cosmológica y las velocidades peculiares (PV) locales inducidas por inhomogeneidades gravitacionales. Se requieren mediciones de distancia precisas para romper esta degeneración, permitiendo pruebas de la ley de Hubble–Lemaître y estudios del crecimiento de la estructura. Los sondeos previos de velocidades peculiares (PV) se han visto limitados en tamaño en comparación con los sondeos de desplazamiento al rojo, lo que conduce a grandes incertidumbres estadísticas en los parámetros cosmológicos derivados. Específicamente, la medición del Plano Fundamental (FP) de la EDR del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) para la constante de Hubble ($H_0$) sufrió errores estadísticos significativos debido a la dependencia de un único ancla de calibración (el cúmulo de Coma). Este artículo aborda la necesidad de una calibración más amplia y robusta del muestreo de PV de DESI para medir $H_0$ con una incertidumbre estadística reducida e investigar los límites sistemáticos en la calibración absoluta.

Metodología
Los autores utilizan el Sondeo de Velocidades Peculiares de la Data Release 1 (DR1) de DESI, que incluye más de 100,000 galaxias con mediciones de distancia relativa derivadas de la relación de Tully-Fisher (TF) para galaxias espirales y la relación del Plano Fundamental (FP) para galaxias elípticas.

1. Construcción de la Muestra: El análisis combina 96,758 galaxias FP y 7,277 galaxias TF (tras aplicar un corte de desplazamiento al rojo de $z < 0.1$).
2. Calibración Basada en Grupos: Para superar el pequeño solapamiento entre la muestra de PV de DESI y los calibradores de distancia externos, los autores emplean un catálogo de grupos derivado de cuatro sondeos externos (2dFGRS, 6dFGS, 2MRS y SDSS; Lim et al. 2017). Al asumir que todos los miembros de un grupo de galaxias comparten la misma distancia, efectivamente duplican el número de calibradores disponibles.
3. Determinación del Punto Cero: Las relaciones TF y FP proporcionan distancias relativas. Para anclarlas a una escala absoluta, los autores calculan un punto cero global comparando las razones de log-distancia de DESI ($\eta$) contra las escaleras de distancia externas.
   • Calibrador Fiducial: Supernovas de Tipo Ia (SNe Ia) de la muestra SH0ES/Pantheon+.
   • Calibradores Alternativos: Distancias de Fluctuación de Brillo Superficial (SBF), máseres, Cefeidas y la Punta de la Rama de la Gigante Roja (TRGB).
   • Cúmulo de Coma: Utilizado como un caso de prueba específico, calibrado mediante tanto SBF como SNe Ia.
4. Pruebas de Sistemáticas: Los autores realizan extensas pruebas sobre sistemáticas, incluyendo variaciones en los algoritmos de agrupación, cortes de selección de catálogos FP/TF (por ejemplo, contaminación de espirales, cortes de calidad), correcciones de desplazamiento al rojo (usando $z_{CMB}$ frente a $z_{HD}$ reconstruido por campo de velocidad) y la aplicación de correcciones basadas en grupos al promedio ponderado.
5. Ajuste Cosmológico: Las distancias calibradas se ajustan a un diagrama de Hubble utilizando una expansión de la serie de Taylor de la distancia de luminosidad en un universo $\Lambda$CDM plano. El ajuste utiliza el algoritmo de muestreo anidado dynesty a través de bilby, incorporando una matriz de covarianza completa que contabiliza los errores estadísticos, las incertidumbres del punto cero y los suelos sistemáticos.

Contribuciones Clave

• Escala: Este trabajo presenta la muestra de PV más grande hasta la fecha, utilizando más de 100,000 galaxias, un aumento significativo respecto a catálogos anteriores.
• Mejora Metodológica: La introducción de una técnica de emparejamiento de grupos aumenta significativamente los solapamientos de calibradores (por ejemplo, aumentando los solapamientos de anfitriones de SN Ia de ~45 a ~571 galaxias), reduciendo así la incertidumbre estadística.
• Caracterización de Sistemáticas: El artículo proporciona un presupuesto de error detallado, distinguiendo entre la incertidumbre estadística, la incertidumbre del punto cero (tratada como un suelo irreducible) y las incertidumbres sistemáticas derivadas del proceso de análisis.
• Comparación de Calibración: Ofrece una comparación directa de las restricciones de $H_0$ derivadas de múltiples peldaños independientes de la escalera de distancia (SNe Ia, SBF, Máseres, Cúmulo de Coma) dentro del mismo conjunto de datos de DESI.

Resultados

• Medición Fiducial: Calibrando hacia SH0ES/Pantheon+ SNe Ia, los autores miden:
  $$H_0 = 73.7 \pm 0.06 \text{ (est.)} \pm 1.1 \text{ (sist.)} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$$
  La incertidumbre estadística se reduce drásticamente en comparación con el resultado de la EDR FP ($0.35$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$), acercándose a la precisión esperada de la magnitud del aumento de la muestra ($\propto 1/\sqrt{N}$).
• Calibradores Alternativos:
  • SBF: Produce $H_0 = 74.1 \pm 0.06 \text{ (est.)} \pm 1.1 \text{ (sist.)}$, consistente con el resultado de SN Ia.
  • Combinado SN+SBF: Proporciona la restricción más ajustada, $H_0 = 73.9 \pm 0.06 \text{ (est.)} \pm 1.0 \text{ (sist.)}$, aunque los autores señalan que la incertidumbre sistemática podría estar subestimada debido a la falta de datos completos de covarianza de SBF.
  • Cúmulo de Coma: Calibrar únicamente hacia el cúmulo de Coma produce valores más altos ($H_0 \approx 77.4-77.6$), lo que sugiere que la calibración de un solo cúmulo puede introducir un sesgo en comparación con un enfoque de múltiples anclas.
  • Máseres: Con solo dos galaxias en solapamiento, el resultado es $H_0 = 72.6 \pm 5.6$, demostrando la limitación actual del bajo solapamiento con los calibradores primarios.
• Sistemáticas: La incertidumbre sistemática total se estima en $1.1$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, dominada por la incertidumbre heredada de la escalera de distancia SH0ES. Las sistemáticas internas del análisis de PV de DESI (agrupación, cortes de selección) contribuyen con un $\sim 0.29$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ menor.
• Restricciones de $q_0$: Al permitir que el parámetro de deceleración $q_0$ varíe, el ajuste arroja $q_0 = -0.56^{+0.01}_{-0.02}$, aunque los autores advierten que esto está fuertemente influenciado por el prior y el rango de desplazamiento al rojo limitado de la muestra de PV.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que el sondeo de PV de DESI DR1 proporciona una medición de $H_0$ con una precisión estadística superior a las mediciones basadas en PV previas y competitiva con el resultado de SH0ES, manteniendo la consistencia con el valor de SH0ES/Pantheon+. Los autores sostienen que su método demuestra la viabilidad de utilizar las relaciones TF y FP como una muestra alternativa de "flujo de Hubble" para las mediciones de $H_0$.

Sin embargo, los autores se mantienen modestos respecto a la precisión última. Declaran explícitamente que la medición actual está limitada por la incertidumbre sistemática "irreducible" heredada de la escalera de distancia de tres peldaños (Cefeidas $\to$ SNe Ia). Afirman que futuras liberaciones de datos con muestras más grandes y un solapamiento directo con los calibradores primarios (Cefeidas, TRGB) permitirán que la incertidumbre disminuya hacia el nivel del percentil, proporcionando potencialmente una verificación independiente de la tensión de Hubble. El artículo concluye que, si bien las supernovas siguen siendo actualmente el mejor calibrador debido al poder estadístico y el solapamiento en el cielo, el sondeo de PV de DESI es una alternativa robusta y creciente a la tradicional escalera de distancias de supernovas.