Joint constraints on $R_h=ct$ cosmology from DESI DR2 BAO, CC, and SN\textit{Ia} Pantheon$^+$ sample

Este estudio compara el modelo estándar $\Lambda$CDM con la cosmología alternativa $R_h=ct$ utilizando restricciones conjuntas de los datos de oscilaciones acústicas de bariones (BAO) de DESI DR2, relojes cósmicos y supernovas de Pantheon$^+$, encontrando que, aunque ambos modelos se ajustan a los datos, $\Lambda$CDM proporciona un ajuste estadístico superior y explica naturalmente la transición observada de la desaceleración a la aceleración, mientras que $R_h=ct$ predice una expansión estrictamente lineal.

Lo esencial

Imagina el universo como un globo gigante que ha estado inflándose desde el Big Bang. Durante décadas, los científicos han intentado descifrar exactamente cómo se infla ese globo. ¿Está acelerando? ¿Está frenando? ¿O se expande a un ritmo perfectamente constante y estable?

Este artículo es como una carrera cara a cara entre dos teorías diferentes sobre cómo se comporta ese globo, utilizando las "reglas" y los "cronómetros" más actualizados disponibles en el cosmos.

Los Dos Corredores

Corredor 1: El Modelo Estándar (ΛCDM)
Piensa en esto como el "Estándar de Oro" o el "Equipo Favorito" de la cosmología moderna. Es el campeón actual.

• La Historia: Este modelo afirma que el universo comenzó expandiéndose rápidamente, luego frenó porque la gravedad (como un ancla pesada) tiró de todo hacia adentro. Pero luego, hace unos 5 o 6 mil millones de años, una fuerza misteriosa llamada "Energía Oscura" entró en acción, actuando como un propulsor de cohete, y comenzó a empujar al universo a expandirse cada vez más rápido.
• La Predicción: Predice un viaje con baches: primero frenar, luego acelerar.

Corredor 2: El Modelo Rh = ct
Este es el retador. Es una teoría más simple, más de "inercia".

• La Historia: Este modelo sugiere que el universo no necesita un propulsor de cohete misterioso ni un ancla pesada. En su lugar, simplemente se expande a una velocidad perfectamente constante, como un coche con control de crucero que nunca toca el pedal del acelerador ni el del freno.
• La Predicción: Predice una línea recta y plana. Sin frenar, sin acelerar. Solo una marcha constante y lineal a través del tiempo.

La Pista de Carreras (Los Datos)

Para ver qué corredor está ganando realmente, los autores no solo adivinaron. Utilizaron tres conjuntos de datos masivos y de alta tecnología como su pista de carreras:

1. Cronómetros Cósmicos (CC): Estos son como "cronómetros cósmicos". Al observar la edad de diferentes galaxias, los científicos pueden medir qué tan rápido se expandía el universo en diferentes momentos del pasado.
2. Supernovas (Pantheon+): Estas son "candelas estándar". Son estrellas que explotan y siempre brillan con el mismo brillo. Al ver cuán tenues parecen desde la Tierra, podemos medir qué tan lejos están y qué tan rápido se alejan.
3. DESI DR2 (BAO): Esta es la "regla cósmica". Mide el espaciado de las galaxias a través del universo, como medir la distancia entre árboles en un bosque para ver cuánto se ha estirado el bosque.

Los Resultados: ¿Quién Ganó?

Los autores aplicaron un "juez" estadístico sobre los datos para ver qué modelo se ajusta mejor a las observaciones. Esto es lo que encontraron:

• El Ajuste: Ambos modelos podían "de alguna manera" explicar los datos, pero el Modelo Estándar (ΛCDM) se ajustó a los datos mucho más estrechamente. Fue como si el Modelo Estándar hubiera dado en el blanco, mientras que el modelo Rh = ct estuvo a unos centímetros de distancia.
• La Puntuación de "Penalización": En ciencia, los modelos más simples suelen ser mejores (como la Navaja de Occam), pero solo si se ajustan a los datos. El modelo Rh = ct es más simple, pero los datos no respaldaron su simplicidad. El Modelo Estándar, aunque es más complejo, fue recompensado porque realmente coincidió con las observaciones.
• La Edad del Universo:
  • El Modelo Estándar calculó la edad del universo en aproximadamente 13.700 millones de años. Esto coincide perfectamente con otras mediciones famosas (como las del satélite Planck).
  • El Modelo Rh = ct calculó la edad en aproximadamente 16.000 millones de años. Dado que este modelo asume una tasa de expansión constante y más lenta, piensa que el universo ha tenido que viajar durante más tiempo para llegar a donde está ahora.

La Gran Conclusión

El artículo concluye que, aunque la idea de "inercia" (Rh = ct) es un concepto interesante y simple, el universo en realidad no se comporta así. Los datos muestran claramente que el universo sí frenó en el pasado y está acelerando ahora.

El Modelo Estándar (ΛCDM) sigue siendo la mejor descripción que tenemos de nuestra historia cósmica. Sin embargo, los autores señalan que la ciencia nunca está "terminada". Nuevas observaciones, como las del Telescopio Espacial James Webb (JWST) que encuentra galaxias muy antiguas y maduras que no deberían existir todavía, están haciendo que los científicos se pregunten: "¿Es nuestro Modelo Estándar perfecto, o simplemente el mejor que tenemos por ahora?"

En resumen: El universo no es un coche con control de crucero; es un coche que pisó los frenos y luego pisó a fondo el acelerador. El Modelo Estándar es el mapa que mejor describe ese viaje.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Restricciones Conjuntas sobre la Cosmología $R_h = ct$ a partir de BAO de DESI DR2, CC y la Muestra Pantheon+ de SNIa

Planteamiento del Problema
El modelo cosmológico estándar $\Lambda$CDM, aunque empíricamente exitoso, enfrenta desafíos teóricos y observacionales persistentes, incluyendo el problema de la constante cosmológica, la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, y la tensión de Hubble. Estas cuestiones han motivado la exploración de marcos alternativos, como las cosmologías de deslizamiento donde el Universo se expande linealmente con el tiempo. Un candidato destacado es el modelo $R_h = ct$, que postula que el horizonte gravitacional ($R_h$) es igual a $ct$ en todos los tiempos cósmicos, implicando una evolución lineal del factor de escala ($a(t) \propto t$) y una tasa de expansión constante ($q=0$). Aunque estudios anteriores han probado este modelo frente a diversos conjuntos de datos, a menudo reportando ajustes competitivos, persiste la necesidad de una evaluación estadística conjunta y rigurosa utilizando los datos observacionales de mayor precisión más recientes para determinar su viabilidad en relación con $\Lambda$CDM.

Metodología
Los autores realizan un análisis comparativo del modelo estándar $\Lambda$CDM plano y el marco $R_h = ct$ utilizando un conjunto de datos conjunto que comprende:

1. Relojes Cósmicos (CC): 15 mediciones de edad diferencial de $H(z)$ que abarcan $0.1791 \leq z \leq 1.965$.
2. Supernovas Tipo Ia (SNIa): La compilación Pantheon+ (1701 SNe Ia, $0.01 \leq z \leq 2.261$), excluyendo la calibración de la escalera de distancias SH0ES para mantener la independencia.
3. Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO): 13 mediciones recientes del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) de la Liberación de Datos 2 (DR2), que cubren $0.295 \leq z \leq 2.330$.

El análisis emplea un marco bayesiano unificado utilizando el algoritmo de muestreo anidado dynesty para explorar las distribuciones posteriores. Los parámetros clave restringidos incluyen la constante de Hubble ($H_0$), el parámetro de densidad de materia ($\Omega_{m0}$) y el horizonte de sonido en la época de arrastre ($r_d$). Cabe destacar que $r_d$ se trata como un parámetro libre para mantener la independencia del modelo, reconociendo la degeneración entre $H_0$ y $r_d$ en los análisis de BAO.

El rendimiento del modelo se evalúa mediante:

• Análisis de Verosimilitud: Minimización de la función total $\chi^2$ derivada de la verosimilitud conjunta de todos los conjuntos de datos.
• Criterios de Información: Cálculo del Criterio de Información de Akaike (AIC) y del Criterio de Información Bayesiano (BIC) para penalizar la complejidad del modelo.
• Evidencia Bayesiana: Cálculo del factor de Bayes ($\ln B$) para cuantificar el apoyo relativo de un modelo sobre el otro.
• Sondas Cosmográficas: Reconstrucción de la evolución del parámetro de Hubble $H(z)$, el parámetro de desaceleración $q(z)$ y la edad cósmica $t(z)$ en función del corrimiento al rojo directamente a partir de las muestras posteriores.

Resultados Clave

• Preferencia Estadística: El modelo $\Lambda$CDM supera consistentemente al modelo $R_h = ct$ en todos los indicadores estadísticos. El modelo $\Lambda$CDM arroja un chi-cuadrado mínimo de $\chi^2_{\min} = 1574.88$ ($\chi^2_{\text{red}} = 0.975$), mientras que $R_h = ct$ arroja $\chi^2_{\min} = 1629.51$ ($\chi^2_{\text{red}} = 1.008$).
• Criterios de Selección de Modelos: Las diferencias en los criterios de información son decisivas: $\Delta \text{AIC} = 52.63$ y $\Delta \text{BIC} = 47.24$. Según criterios estándar ($\Delta > 10$), esto constituye una evidencia fuerte en contra del modelo $R_h = ct$. El factor de Bayes es $\ln B = -2.3$, lo que indica un apoyo débil a moderado para $\Lambda$CDM sobre $R_h = ct$.
• Restricciones de Parámetros:
  • $\Lambda$CDM: $H_0 = 68.3 \pm 4.6$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ y $\Omega_{m0} = 0.309 \pm 0.008$. La edad derivada es $t_0 = 13.676^{+0.92}_{-0.81}$ Gyr, consistente con los resultados del CMB de Planck 2018.
  • $R_h = ct$: $H_0 = 61.1 \pm 4.1$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ y $r_d = 151.4^{+8.9}_{-11}$ Mpc. La edad derivada es $t_0 = 16.035^{+1.09}_{-0.98}$ Gyr.
• Historia de Expansión: La evolución de $H(z)$ para $\Lambda$CDM coincide con los datos observacionales en todo el rango de corrimiento al rojo. En contraste, el modelo $R_h = ct$ subestima sistemáticamente $H(z)$ en corrimientos al rojo intermedios y altos ($z \gtrsim 1$).
• Parámetro de Desaceleración: El modelo $\Lambda$CDM reproduce naturalmente la transición de la desaceleración en tiempos tempranos ($q > 0$) a la aceleración en tiempos tardíos ($q < 0$) en $z \approx 0.6$. El modelo $R_h = ct$ predice una expansión estrictamente lineal con $q(z) = 0$ en todos los corrimientos al rojo, fallando en capturar la transición observada hacia la aceleración.
• Consistencia BAO: Aunque ambos modelos pueden reproducir las relaciones de distancia de BAO de DESI DR2 ($D_M/r_d$ y $D_H/r_d$) dentro de las incertidumbres observacionales, el modelo $\Lambda$CDM exhibe residuos más pequeños y distribuidos aleatoriamente. El modelo $R_h = ct$ muestra un patrón sistemático de desviación, particularmente en el indicador $D_H(z)/r_d$.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma proporcionar la primera comparación estadística conjunta de $R_h = ct$ y $\Lambda$CDM utilizando los conjuntos de datos combinados CC + Pantheon+ + DESI DR2 dentro de un marco bayesiano unificado. Los autores afirman que sus resultados validan la fiabilidad de las restricciones de DESI DR2, CC y Pantheon+, ya que la edad derivada de $\Lambda$CDM se alinea con los resultados del CMB de Planck 2018.

El estudio concluye que, aunque el modelo $R_h = ct$ proporciona un ajuste aceptable dentro de los límites estadísticos, es decididamente desfavorecido en comparación con $\Lambda$CDM debido a su incapacidad para reproducir la transición observada de desaceleración a aceleración y su peor rendimiento en las métricas de teoría de la información. Los autores señalan que, si bien el modelo estándar enfrenta desafíos teóricos (por ejemplo, la naturaleza de la energía oscura y la tensión de Hubble), los datos observacionales actuales apoyan fuertemente el paradigma $\Lambda$CDM como la descripción superior de la historia de expansión del Universo. El artículo reconoce que las observaciones recientes de JWST de galaxias maduras de alto corrimiento al rojo y las indicaciones de DESI sobre una energía oscura evolutiva sugieren que el paradigma de concordancia podría requerir refinamientos futuros, pero estos no validan actualmente la alternativa $R_h = ct$.