Reanalyzing Megamasers: a low value of $H_0$ from a local probe changes our view of the Hubble Tension

Resumen Técnico: Un valor bajo de $H_0$ en tensión con la escalera de distancias mediante megamasers usando la reconstrucción de la velocidad peculiar

Planteamiento del problema
La "tensión de Hubble" representa una discrepancia significativa entre las mediciones de la constante de Hubble ($H_0$) derivadas del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) ($67.4 \pm 0.5$ km/s/Mpc) y aquellas derivadas de la escalera de distancias local ($73.5 \pm 0.81$ km/s/Mpc). Una pieza de evidencia crítica para resolver si esta tensión surge de nueva física o de errores sistemáticos en la escalera de distancias es la medición independiente de $H_0$ utilizando megamasers. Las distancias de megamasers son geométricas y no dependen de la tradicional escalera de distancias. El trabajo previo de Pesce et al. (2020) (P20) analizó datos de megamasers y encontró un valor de $H_0$ consistente con la escalera de distancias y en tensión con el CMB. Sin embargo, P20 modeló las velocidades peculiares principalmente como ruido gaussiano aleatorio. Este enfoque no logra contabilizar los flujos masivos coherentes y las colas no gaussianas en la distribución de velocidades causadas por la caída hacia estructuras no lineales, lo que potencialmente introduce un sesgo sistemático en las correcciones de redshift.

Metodología
Este estudio reanaliza la muestra de seis galaxias de megamasers de P20, centrándose en corregir los redshifts observados para las velocidades peculiares utilizando una reconstrucción de campo de velocidad superior.

1. Reconstrucción de la velocidad: En lugar de tratar las velocidades peculiares como ruido gaussiano, los autores utilizan la reconstrucción M25 (McAlpine et al. 2025). A diferencia de la reconstrucción C15 anterior (Carrick et al. 2015), M25 combina el relevamiento de redshift 2M++ con simulaciones cosmológicas con restricciones. Esto permite que M25 resuelva el campo de velocidad en escalas más pequeñas y capture los movimientos galácticos no lineales de manera más precisa.
2. Corrección de datos: Los autores aplican tanto la corrección de velocidad peculiar C15 como la M25 a los redshifts de las seis galaxias megamaser. Observan que en la reconstrucción M25, las seis galaxias exhiben velocidades peculiares positivas, y las tres galaxias más distantes participan en un flujo de salida coherente y de gran escala.
3. Análisis de verosimilitud: Los autores ajustan una relación distancia-redshift asumiendo una cosmología $\Lambda$CDM plana con densidad de materia fija ($\Omega_m = 0.3$). La función de verosimilitud minimiza la diferencia entre las distancias medidas y las distancias del modelo.
4. Modelado de la incertidumbre: Una mejora metodológica clave es el tratamiento de la incertidumbre de la reconstrucción de la velocidad ($\sigma_v$). Los autores añaden $\sigma_v$ en cuadratura a las incertidumbres de la medición de distancia. Exploran dos enfoques:
   • Fijar $\sigma_v$ en varios valores (de 0 a 150 km/s).
   • Tratar $\sigma_v$ como un parámetro del modelo libre, con un prior uniforme, utilizando Monte Carlo por Cadenas de Markov (MCMC) para marginalizar sobre él.

Contribuciones clave

• Identificación del sesgo: El artículo demuestra que modelar las velocidades peculiares como ruido gaussiano (como se hizo en P20) falla al capturar flujos coherentes y valores atípicos no gaussianos. En el caso específico de la muestra de megamasers, las velocidades peculiares positivas reducen sistemáticamente los redshifts corregidos, lo que conduce a una sobreestimación de $H_0$.
• Reconstrucción superior: El estudio establece que la reconstrucción M25, al incorporar simulaciones cosmológicas, proporciona una corrección más precisa para estas velocidades que el método C15 o los modelos simples de ruido gaussiano.
• Reevaluación de $H_0$: Al aplicar la reconstrucción M25, los autores derivan una nueva estimación de $H_0$ que se desplaza significativamente lejos del valor de la escalera de distancias y hacia el valor del CMB.

Resultados

• C15 vs. M25: Usando la reconstrucción C15 con $\sigma_v = 150$ km/s, se obtiene $H_0 = 71.5 \pm 2.6$ km/s/Mpc, consistente con los resultados de P20. Usando la reconstrucción M25 con el mismo $\sigma_v$, se obtiene un valor de $H_0$ más bajo de $69.7 \pm 2.6$ km/s/Mpc.
• Sensibilidad a $\sigma_v$: El $H_0$ estimado es sensible a la incertidumbre de velocidad asumida. A medida que $\sigma_v$ se reduce (asignando más peso a las galaxias con mediciones de distancia precisas como NGC 4258), el $H_0$ estimado disminuye. Para $\sigma_v = 0$, $H_0 = 68.4 \pm 0.9$ km/s/Mpc.
• Resultado marginalizado: Al tratar $\sigma_v$ como un parámetro libre y marginalizar sobre él (con un límite de 150 km/s), los datos corregidos por M25 producen un $H_0$ de máxima verosimilitud de $68.7$ km/s/Mpc.
• Tensión estadística: Se calcula la probabilidad de que el $H_0$ derivado de M25 sea tan grande como o mayor que el valor de la escalera de distancias ($73.5$ km/s/Mpc) como $P(> H_{DL}) = 0.029$ (2.9%). Esto indica una tensión de mayor a $2\sigma$ entre el resultado de megamasers (usando M25) y la escalera de distancias, mientras que el resultado de megamasers es consistente con el CMB.

Significancia y afirmaciones
Los autores argumentan que la tensión de Hubble es probablemente impulsada por un error sistemático dentro de la escalera de distancias en lugar de nueva física. Sostienen que el acuerdo previo entre los datos de megamasers y la escalera de distancias fue un artefacto de correcciones de velocidad peculiar sesgadas. Al utilizar una reconstrucción de velocidad de alta resolución que contabiliza los flujos coherentes y los movimientos no gaussianos, el $H_0$ derivado de megamasers se alinea con el CMB y entra en conflicto con la escalera de distancias.

El artículo concluye que:

1. Los megamasers siguen siendo un control independiente vital para la escalera de distancias, aunque se requieren más datos y métodos de estimación de distancia mejorados para conclusiones definitivas.
2. Las velocidades peculiares son una fuente significativa de sesgo en las determinaciones de $H_0$ a bajo redshift, lo que requiere reconstrucciones de velocidad local precisas.
3. La discrepancia sugiere que la escalera de distancias requiere un mayor escrutinio con respecto a los posibles sistemas de la calibración.