A sound-horizon-free measurement of the Hubble constant from DESI DR2 baryon acoustic oscillations using artificial neural networks

1. El Problema: La Tensión de Hubble ($H_0$)

El estudio aborda la "tensión de Hubble", uno de los problemas más fundamentales de la cosmología moderna. Existe una discrepancia estadística significativa entre los valores de la constante de expansión de Hubble ($H_0$) obtenidos de dos métodos distintos:

• Universo temprano: Mediciones basadas en el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) por la misión Planck, que favorecen un valor bajo ($H_0 \approx 67.4 \text{ km s}^{-1}\text{ Mpc}^{-1}$) bajo el modelo $\Lambda$CDM.
• Universo local: Mediciones basadas en la escala de distancia (escalera de distancias) usando Supernovas Tipo Ia (SNe Ia) y Cefeidas (SH0ES), que favorecen un valor alto ($H_0 \approx 73.0 \text{ km s}^{-1}\text{ Mpc}^{-1}$).

El problema central es que ambos métodos dependen de calibraciones o modelos que podrían introducir sesgos sistemáticos.

2. Metodología

Los autores proponen un método independiente del modelo y libre del horizonte de sonido ($r_d$). La estrategia se basa en los siguientes pilares:

• Relación de Dualidad de Distancia (DDR): Utilizan la propiedad de que, en cualquier teoría de la gravedad métrica, la distancia de luminosidad ($d_L$) y la distancia de diámetro angular ($d_A$) están conectadas por $d_L(z) = (1 + z)^2 d_A(z)$.
• Combinación de tres sondas observacionales:
  1. SNe Ia (Pantheon+): Proporcionan la distancia de luminosidad no anclada ($\Xi_{SNIa}$).
  2. Cronómetros Cósmicos (CC): Proporcionan el parámetro de Hubble $H(z)$ directamente mediante la evolución de la edad de galaxias masivas.
  3. Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) de DESI DR2: Proporcionan la combinación $\Xi_{BAO}(z) = H(z)d_A(z)$. Al usar la relación entre la distancia comóvil transversal ($D_M/r_d$) y la escala de Hubble ($D_H/r_d$), el radio del horizonte de sonido ($r_d$) se cancela matemáticamente, eliminando la necesidad de depender de la física del universo temprano o del modelo $\Lambda$CDM.
• Reconstrucción mediante Redes Neuronales Artificiales (ANN): A diferencia de los métodos tradicionales de Procesos Gaussianos (GP), los autores emplean un enfoque de aprendizaje profundo (deep learning) basado en datos. Utilizan una arquitectura de una capa oculta con 4096 neuronas y una función de activación ELU. El método es puramente basado en datos (data-driven), lo que evita imponer una forma funcional previa o un modelo cosmológico como sesgo.
• Cuantificación de incertidumbre mediante Bootstrap: Realizan múltiples iteraciones (1000 realizaciones) perturbando los datos dentro de sus errores para propagar de forma robusta todas las incertidumbres a través de la red neuronal.

3. Contribuciones Clave

• Uso de DESI DR2: El estudio es de los primeros en aplicar la nueva liberación de datos del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DR2), que incluye nuevos trazadores como galaxias de emisión de líneas (ELG1) y cuásares (QSO), mejorando la precisión respecto a la versión DR1.
• Independencia total: El método no requiere conocer la escala del horizonte de sonido ni la magnitud absoluta de las supernovas, lo que lo convierte en una prueba de "control" crucial para la tensión de Hubble.
• Superioridad del método ANN: Demuestran que la reconstrucción por ANN es más eficiente y menos dependiente de supuestos funcionales que los métodos de regresión tradicionales.

4. Resultados Principales

El estudio obtiene una restricción conjunta de la constante de Hubble:
$$\mathbf{H_0 = 71.5 \pm 2.2 \text{ km s}^{-1}\text{ Mpc}^{-1} \text{ (al 68\% de confianza)}}$$

Comparativa:

• Consistencia con el universo local: El resultado es consistente con las mediciones de TRGB y SH0ES dentro de un margen de $0.6\sigma$.
• Tensión con el CMB: El resultado muestra una tensión de aproximadamente $2\sigma$ con los datos de Planck 2020.
• Evolución con el redshift: Los resultados individuales de cada trazador de BAO son consistemente estables, lo que sugiere que no hay una evolución significativa de $H_0$ con el tiempo (redshift), apoyando el principio cosmológico.

5. Significado y Conclusión

La importancia de este trabajo radica en que aporta evidencia independiente y robusta a favor de la realidad de la tensión de Hubble. Al obtener un valor de $H_0$ más alto que el de Planck, utilizando un método que evita tanto la física del universo temprano (horizonte de sonido) como la calibración de la escalera de distancias (magnitud absoluta de SNe Ia), los autores sugieren que la discrepancia no es simplemente un error de calibración en los métodos locales o un error de extrapolación en el modelo $\Lambda$CDM, sino un problema fundamental en nuestra comprensión de la expansión del universo.