First measurement of the Hubble constant from a combined weak lensing and gravitational-wave standard siren analysis

Resumen Técnico: Primera Medición de la Constante de Hubble a partir de un Análisis Combinado de Lente Gravitacional Débil y Sirenas Estándar de Ondas Gravitacionales

Enunciado del Problema
La medición de la constante de Hubble ($H_0$) sigue siendo un desafío empírico central en cosmología, caracterizado por una tensión significativa ($\gtrsim 5\sigma$) entre los valores inferidos a partir de datos del fondo cósmico de microondas (CMB) del Universo temprano bajo la suposición de $\Lambda$CDM y las mediciones directas del Universo tardío utilizando la escalera de distancias cósmicas (por ejemplo, supernovas de Tipo Ia). Aunque numerosos análisis han intentado reconciliar estas discrepancias identificando efectos sistemáticos, el problema persiste. Este trabajo aborda la necesidad de enfoques independientes y de mensajeros múltiples que no dependan de la escalera de distancias cósmicas para restringir $H_0$.

Metodología
Los autores presentan un análisis cosmológico conjunto que combina dos marcos observacionales distintos:

1. Análisis 3$\times$2pt (Lente Gravitacional Débil y Agrupamiento de Galaxias): Utilizando datos de la liberación del Año 3 (Y3) del Sondeo de Energía Oscura (DES), el estudio emplea tres funciones de correlación de dos puntos (2PCFs): cizallamiento cósmico (cizallamiento-cizallamiento), agrupamiento de galaxias (galaxia-galaxia) y la correlación cruzada de cizallamiento y posición de galaxias (galaxia-cizallamiento). Este marco restringe la abundancia de materia ($\Omega_m$) y la amplitud de las fluctuaciones de densidad de materia. El análisis incorpora las formas de las galaxias fuente (aproximadamente 100 millones de galaxias en cuatro bins de desplazamiento al rojo) y las galaxias lente (muestra MagLim, 10.7 millones de galaxias en seis bins de desplazamiento al rojo), teniendo en cuenta efectos sistemáticos como el sesgo de galaxias, la alineación intrínseca y la calibración de desplazamiento al rojo.
2. Análisis de Sirenas Estándar: El estudio integra datos del Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales 4.0 (GWTC-4.0) liberado por la Colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
   • Sirenas Espectrales: Para 141 eventos de coalescencia de binarias compactas (CBC), la información de desplazamiento al rojo se deriva exclusivamente del espectro de masas de la población binaria utilizando inferencia jerárquica bayesiana, evitando depender de catálogos de galaxias para prevenir errores sistemáticos de covarianza.
   • Sirena Brillante (GW170817): Para el único evento con una contraparte electromagnética (EM) confirmada, el análisis incorpora el desplazamiento al rojo de la galaxia huésped (NGC 4993) y, crucialmente, restricciones del ángulo de inclinación derivadas de observaciones de chorros superlumínicos. El ángulo de inclinación ($15^\circ < \theta_{jet} < 29^\circ$) se utiliza como un prior externo para refinar la estimación de la distancia de luminosidad ($d_L$).

Inferencia Cosmológica
Los autores combinan las distribuciones posteriores del análisis 3$\times$2pt del DES Y3 y el análisis de sirenas estándar de LVK (141 sirenas espectrales + 1 sirena brillante). Asumiendo independencia entre los conjuntos de datos, utilizan un método de flujo normalizador (implementado en tensiometer) para fusionar las posteriores. El análisis marginaliza sobre parámetros de molestia mientras infiere los parámetros cosmológicos $s_c = \{H_0, \Omega_m\}$, adoptando priores amplios ($H_0 \in [10, 200]$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, $\Omega_m \in [0, 1]$) para cumplir con los requisitos del análisis de sirenas espectrales.

Resultados Clave

• Medición Combinada: El análisis conjunto arroja una constante de Hubble de $H_0 = 67.9^{+4.4}_{-4.3}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, representando una medición con una precisión del 6.4%.
• Impacto de la Información del Chorro: La inclusión del ángulo de inclinación del chorro para GW170817 es crítica. Eliminar esta información degrada la precisión de solo sirenas estándar al 15% y la precisión combinada al 9.9%.
• Poder de Restricción sobre $\Omega_m$: Mientras que el componente de sirenas estándar por sí solo no proporciona una restricción significativa sobre $\Omega_m$, la combinación con 3$\times$2pt mejora la precisión de la medición de la abundancia total de materia en un 22% (de 11% a 8.2%) en relación con el análisis fiducial del DES Y3.
• Consistencia: Se encuentra que las posteriores de $H_0$ de los componentes 3$\times$2pt y de sirenas estándar están en buen acuerdo, con una distancia de 0.78$\sigma$ entre sus medianas.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma presentar la primera medición de la constante de Hubble resultante de un análisis conjunto de sirenas estándar y observables de lente gravitacional débil/agrupamiento de galaxias. Los autores demuestran que incorporar sirenas estándar en el marco de cosmología de múltiples sondas de grandes sondeos cósmicos es una ruta viable para restringir $H_0$ sin depender de la escalera de distancias cósmicas.

El estudio destaca que este enfoque combinado ofrece una vía complementaria para resolver la tensión de $H_0$. Los autores señalan que, con las próximas nuevas liberaciones de datos del DES y LVK, y el poder de restricción anticipado de futuros observables 3$\times$2pt de instrumentos recién comisionados, esta metodología representa una vía prometedora para lograr una precisión a nivel porcentual en $H_0$ y avanzar en el campo de la cosmología. Los resultados sugieren que las sirenas estándar poseen un poder de restricción suficiente para ser informativas cuando se combinan con sondas tradicionales de estructura a gran escala, de manera similar al papel desempeñado por el CMB, las SNe Ia o las oscilaciones acústicas de bariones.