Constraints on the gravitational potential from DESI DR2 BAO and its implications for the local void scenario

Resumen Técnico: Restricciones sobre el Potencial Gravitatorio a partir de DESI DR2 BAO y sus Implicaciones para el Escenario del Vacío Local

Planteamiento del Problema
El artículo aborda la "tensión de Hubble", una discrepancia significativa entre la tasa de expansión local ($H_0 \approx 73.5$ km/s/Mpc) y el valor inferido a partir del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) bajo la cosmología estándar $\Lambda$CDM ($H_0 \approx 67.2$ km/s/Mpc). Una resolución propuesta es el escenario del "vacío local", que sugiere que residimos en una subdensidad grande (el vacío de Keenan-Barger-Kowalski o KBC). En este modelo, la constante de Hubble local observada se infla mediante dos mecanismos: velocidades de flujo saliente peculiares y el Desplazamiento al Rojo Gravitacional (GR) a medida que los fotones escalan la colina de potencial local. Mientras que las velocidades peculiares dominan a bajo corrimiento al rojo, el GR se convierte en el efecto dominante a corrimientos al rojo más altos ($z \gtrsim 0.5$), contribuyendo con un término de corrimiento al rojo adicional fijo $z_0$. Un trabajo previo (Haslbauer, Banik & Kroupa 2020, de aquí en adelante HBK20) sugirió que un vacío capaz de resolver la tensión de Hubble implicaría un $z_0 \approx 0.84\%$. Sin embargo, este modelo predice efectos de "desbordamiento" (spillover) a alto corrimiento al rojo, incluyendo un CMB más caliente y un horizonte de sonido reducido ($r_d$), lo cual no había sido probado rigurosamente contra los datos de alta precisión más recientes, específicamente las mediciones de Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) de DESI Data Release 2 (DR2).

Metodología
Los autores prueban la hipótesis del vacío local introduciendo un parámetro $z_0$ que representa la altura adimensional de la colina del potencial gravitatorio local. Aproximan el corrimiento al rojo observado $z$ como $1+z = (1+z_c)(1+z_0)$, donde $z_c$ es el corrimiento al rojo cosmológico. Esta aproximación descuida las velocidades peculiares, lo cual es válido para $z \gtrsim 0.5$ donde las fuentes se encuentran más allá del vacío.

El análisis utiliza un conjunto exhaustivo de datos que incluye:

• Nucleosíntesis del Big Bang (BBN): Restricciones sobre la densidad bariónica.
• Fondo Cósmico de Microondas (CMB): Verosimilitudes comprimidas de SPT-3G, Planck y ACT, contabilizando el efecto de un CMB más caliente ($T_{CMB} = T_{FIRAS}(1+z_0)$) sobre la densidad física de bariones ($\omega_b$) y la densidad de materia ($\omega_{bc}$).
• Cronómetros Cósmicos (CC): Mediciones de la tasa de expansión $H(z)$.
• BAO: 13 mediciones de DESI DR2, analizadas en dos rangos de corrimiento al rojo: un rango "nominal" ($z > 0.5$) y un rango "extendido" ($z > 0.29$).

Los autores realizan análisis de Monte Carlo por Cadenas de Markov (MCMC) utilizando el algoritmo de muestreo anidado dynesty. Varían los parámetros cosmológicos ($\omega_b, \omega_{bc}, H_0, z_0$) y calculan la evidencia Bayesiana. Crucialmente, recalculan el horizonte de sonido $r_d$ y la temperatura de recombinación $T_*$ para cada valor de $z_0$ utilizando el código CLASS, reconociendo que un CMB más caliente implica una expansión menor desde el desacoplamiento, alterando así la calibración de los observables de BAO y CMB.

Contribuciones Clave

1. Restricciones Refinadas de Alto Corrimiento al Rojo: El artículo proporciona las primeras restricciones detalladas sobre $z_0$ utilizando los datos de BAO de DESI DR2, yendo más allá de estudios previos que fijaban los parámetros cosmológicos a los mejores ajustes de Planck sin considerar el impacto autoconsistente de $z_0$ en el horizonte de sonido y la temperatura del CMB.
2. Cuantificación de Efectos de "Desbordamiento": Los autores modelan explícitamente cómo un vacío local afecta a los observables de alto corrimiento al rojo, demostrando que un CMB más caliente conduce a un $r_d$ reducido y a un producto $H_0 r_d$ reducido, los cuales están estrictamente restringidos por BAO.
3. Análisis de la Anomalía de BAO: El estudio cuantifica la "anomalía de BAO" (la tensión entre BAO y otros conjuntos de datos no-BAO en el espacio de parámetros $(H_0 r_d, \Omega_m)$) utilizando la métrica de tensión Máximo de Datos y Espacio de Parámetros (MDPS). Comparan el rendimiento del modelo de vacío local frente a $\Lambda$CDM estándar y soluciones de fondo fenomenológicas.

Resultos

• Restricciones sobre $z_0$: Combinando datos de BBN, CMB, BAO y CC, los autores encuentran que $z_0 = -0.4 \pm 0.9\%$ para el rango nominal ($z > 0.5$) y $z_0 = 0.0^{+0.6}_{-0.7}\%$ para el rango extendido ($z > 0.29$). Aunque los datos prefieren ligeramente un $z_0 = 0$ (estándar $\Lambda$CDM), el valor $z_0 = 0.84\%$ (predicho por HBK20) permanece dentro del intervalo de confianza de $2\sigma$.
• Ajuste del Modelo: El modelo de mejor ajuste con $z_0 = 0.84\%$ se ajusta a los datos casi tan bien como $\Lambda$CDM, con una diferencia en la suma de los cuadrados de los residuos ($\Delta \chi^2$) de menos de 2. La evidencia Bayesiana desfavorece ligeramente la adición de $z_0$ como un parámetro libre, pero la diferencia es pequeña (pérdida de $\sim 0.5$ nats para $z_0=0.84\%$ fijo).
• Tensión de BAO: En el espacio de parámetros estándar $(H_0 r_d, \Omega_m)$, $\Lambda$CDM enfrenta una tensión de $2.81\sigma$ cuando se compara con conjuntos de datos no-BAO (usando el rango de corrimiento al rojo extendido). Fijar $z_0 = 0.84\%$ reduce esta tensión a $2.39\sigma$, situándola dentro de la región de credibilidad del 99%. Esta reducción ocurre porque el modelo de vacío local desplaza las regiones de parámetros preferidas para los conjuntos de datos de BAO y no-BAO, reconciliándolos parcialmente.
• Espacio de Datos vs. Espacio de Parámetros: Mientras que el modelo de vacío empeora ligeramente el ajuste en el "espacio de datos" (predicción directa de las mediciones de DESI), mejora la consistencia en el "espacio de parámetros". La tensión MDPS (el máximo de ambos) se reduce de $2.81\sigma$ en $\Lambda$CDM a $2.39\sigma$ en el modelo de vacío.

Significado y Afirmaciones
El artículo concluye que un vacío local lo suficientemente grande como para resolver la tensión de Hubble (implicando $z_0 \approx 0.84\%$) no puede ser descartado por los actuales conjuntos de datos de alto corrimiento al rojo, a pesar del impacto novedoso del modelo en la temperatura del CMB y el horizonte de sonido. Si bien los datos prefieren ligeramente el valor de $z_0 = 0$ del $\Lambda$CDM estándar, el modelo de vacío con $z_0 = 0.84\%$ proporciona un ajuste aceptable para todos los conjuntos de datos (BBN, CMB, BAO, CC) y notablemente alivia la tensión en el espacio de parámetros entre BAO y otras sondas de alto corrimiento al rojo.

Los autores enfatizan que sus resultados no confirman el escenario del vacío local, sino que demuestran su viabilidad frente a las restricciones de alta precisión que anteriormente se pensaba que podrían excluirlo. Sugieren que la "anomalía de BAO" observada en $\Lambda$CDM puede ser mitigada parcialmente por la hipótesis del vacío local, y que futuras liberaciones de datos (potencialmente revisando la medición de BAO en $z=0.7$) podrían alinear aún más el $z_0$ inferido con la predicción de $0.84\%$. El estudio motiva un modelado más detallado de bajo corrimiento al rojo que incluya flujos salientes para evaluar plenamente la capacidad del escenario de vacío para resolver la tensión de Hubble.