Forward-modelling the Tolman and distance-duality tests with IllustrisTNG

Resumen Técnico: Modelado hacia adelante de las pruebas de Tolman y de dualidad de distancia con IllustrisTNG

Planteamiento del problema
Resultados observacionales recientes han presentado señales que parecen desafiar el modelo cosmológico estándar $\Lambda$CDM y la relación de dualidad de distancia de Etherington ($D_L = (1+z)^2 D_A$). Específicamente, las mediciones de brillo superficial (SB) de JWST/ASTRODEEP sugieren un escalamiento de redshift mucho más plano que el esperado de $(1+z)^{-4}$ (bolométrico) o $(1+z)^{-(3+\alpha_{SED})}$ (flujo específico) para fuentes sin evolución. De manera similar, los análisis de fuentes de radio ultracompactas sugieren una relación de dualidad de distancia ($D_L/D_A$) que escala más cerca de $(1+z)$ en lugar de $(1+z)^2$. Si bien estos hallazgos han sido interpretados por algunos como evidencia de cosmologías no expandidas (por ejemplo, modelos de luz cansada), también son sensibles a la evolución astrofísica de las fuentes y a los sistemas de error instrumental. El problema central abordado es si estas "anomalías" pueden explicarse mediante la evolución intrínseca de la luminosidad y el tamaño dentro de la cosmología de Friedmann–Robertson–Walker (FRW) estándar, o si requieren una ruptura de la gravedad métrica.

Metodología
Los autores emplean un enfoque de modelado hacia adelante utilizando la simulación hidrodinámica cosmológica IllustrisTNG-100 para probar la hipótesis de que la evolución de las fuentes, y no una cosmología no estándar, impulsa las señales observadas.

1. Fuentes de datos:

   • Observacionales: El catálogo ASTRODEEP-JWST (Merlin et al. 2024) para la prueba de Tolman y la compilación de fuentes de radio ultracompactas de Li (2023) (JJ2.29 y GKF5.0) para la prueba de dualidad de distancia (DDR).
   • Simulación: La ejecución IllustrisTNG-100-1, utilizando imágenes simuladas de HST/JWST del archivo MAST.

2. Selección espectroscópica simulada:
   Dado que la simulación TNG carece de espectros reales, los autores entrenaron un clasificador de regresión logística binaria basado en el catálogo ASTRODEEP para predecir la probabilidad ($p_{spec}$) de que una galaxia recibiría un redshift espectroscópico confirmado basándose en sus propiedades fotométricas (magnitudes, colores, brillo superficial, área de apertura y proxy de redshift). Este clasificador se aplicó a las galaxias simuladas de TNG para crear una muestra "espectroscópica simulada" que imita los sesgos de selección de los datos observacionales reales.

3. Modelado hacia adelante de la evolución:
   El estudio define dos exponentes de evolución distintos:

   • $\gamma_\Sigma$: El exponente para la densidad de luminosidad proyectada ($\Sigma_L \propto (1+z)^{\gamma_\Sigma}$), que gobierna la prueba de SB de Tolman.
   • $\gamma_\rho$: El exponente para la densidad de luminosidad volumétrica ($\rho_L \propto (1+z)^{\gamma_\rho}$), que gobierna la DDR bajo la suposición de fuente compacta de Li (2023).

   Los autores calculan estos exponentes en la simulación TNG utilizando cuatro convenciones de apertura diferentes (flujo del catálogo, apertura de imagen circular fija, apertura de imagen de deblending Voronoi y apertura adaptativa) para cuantificar las incertidumbres sistemáticas. Luego, mapean los exponentes simulados a los parámetros de escalamiento observables ($\alpha_{Tol}$ y $\alpha_{DDR}$) para comparar directamente con los datos observacionales.

4. Controles sistemáticos:
   El análisis incluye controles rigurosos sobre la distribución de redshift, definiciones de apertura, algoritmos de deblending (Voronoi vs. Gaussiano), convolución de PSF, ruido de cielo y varianza cósmica.

Resultados clave

• Unificación de términos de evolución: En la simulación TNG, se encuentra que el exponente de la densidad de luminosidad proyectada ($\gamma_\Sigma$) y el exponente de la densidad de luminosidad volumétrica ($\gamma_\rho$) son efectivamente idénticos para la muestra de galaxias brillantes emparejadas ($\gamma_\Sigma \approx \gamma_\rho$). Esto permite que las dos pruebas distintas se unifiquen bajo un único exponente de evolución efectivo, $\gamma$.
• Valor de evolución simulado: A través de convenciones de apertura realistas, la simulación TNG produce un exponente de densidad de luminosidad efectivo de $\gamma = 2.23 \pm 0.20$.
• Reproducción de señales observacionales:
  • Prueba de Tolman: El modelo hacia adelante de TNG produce una pendiente de Tolman ($\alpha_{Tol}$) de $-0.88 \pm 0.03$ (deblending Voronoi), la cual es significativamente más plana que la predicción FRW sin evolución de $-3.3$ (para $\alpha_{SED}=0.3$) y coincide estrechamente con la pendiente observada de ASTRODEEP de $-1.28 \pm 0.05$.
  • Prueba de Dualidad de Distancia: El $\gamma$ derivado de TNG predice una pendiente de DDR de $\alpha_{DDR} \approx 1.26$, lo cual concuerda bien con el valor de los datos de fuentes de radio de $\alpha_{DDR} = 1.17 \pm 0.09$ (correspondiente a $\gamma = 2.50 \pm 0.26$).
• Análisis de discrepancia: Existe una pequeña discrepancia residual entre el $\gamma$ de las galaxias brillantes de TNG y el $\gamma$ de las fuentes de radio ($\Delta\gamma \approx 0.27 \pm 0.33$). Los autores interpretan esto como una posible indicación de que los AGN de radio compactos evolucionan ligeramente más fuertemente en densidad de luminosidad que las galaxias brillantes modeladas en TNG, en lugar de ser un fallo del modelo cosmológico.
• Clarificación de la normalización: El artículo demuestra que el aparente alineamiento de los datos de radio con la línea "no expandida" ($D_L = (1+z)D_A$) en estudios previos es un artefacto de la convención de normalización arbitraria utilizada para la escala de tamaño en el reposo ($d_0$). Cuando se observa únicamente en términos de la pendiente, los datos se sitúan entre la predicción FRW sin evolución y el límite no expandido, no estrictamente sobre este último.

Significado y afirmaciones
El artículo afirma que las "anomalías" reportadas en pruebas recientes de Tolman y de dualidad de distancia no requieren modificaciones a la cosmología estándar ni la introducción de modelos no expandidos. En su lugar, los resultados son totalmente consistentes con la física de formación de galaxias de $\Lambda$CDM estándar, donde la evolución intrínseca de las fuentes (específicamente el aumento de la densidad de luminosidad con el redshift) produce naturalmente las pendientes de escalamiento poco profundas observadas.

Los autores concluyen que:

1. Los resultados de Tolman y DDR no son anomalías independientes que requieran una explicación cosmológica coordinada, sino que son dos mediciones de la misma evolución de fuente subyacente.
2. La magnitud de esta evolución es predicha correctamente por la simulación IllustrisTNG.
3. Los datos no apoyan de manera inequívoca un universo no expandido; más bien, se encuentran en un régimen intermedio entre el FRW sin evolución y los modelos no expandidos.
4. Las inferencias cosmológicas futuras de estas pruebas requieren una calibración precisa de la evolución de las fuentes y de los sistemas de error fotométricos (particularmente las definiciones de apertura y de deblending) en lugar de una revisión de la teoría métrica de la gravedad.

El trabajo replantea estas pruebas como sondas de la evolución de las galaxias de alto redshift y de los sistemas de error inherentes a su medición, ofreciendo una vía para restringir los modelos de formación de galaxias sin invocar nueva física.