Photon rest mass from localized fast radio bursts with improved distribution of dispersion measure from extragalactic gas

Résumé Technique : Contraintes sur la masse au repos du photon à partir des sursauts radio rapides localisés

Énoncé du problème
L'hypothèse selon laquelle les photons sont dépourvus de masse est un postulat fondamental de la physique moderne, plus précisément de la relativité restreinte d'Einstein, qui pose l'invariance de la vitesse de la lumière. Cependant, cette hypothèse reste sujette à vérification expérimentale. Une masse au repos non nulle du photon ($m_\gamma$) induirait une vitesse de groupe dépendante de la fréquence, faisant en sorte que les composantes de haute fréquence d'un signal voyagent plus rapidement que les composantes de basse fréquence. Cela entraîne un délai temporel mesurable pour les photons émis simultanément à partir d'une source distante. Bien que les tests au sol et les observations astrophysiques (par exemple, les sursauts gamma) aient limité la masse du photon, les sursauts radio rapides (FRB) offrent un laboratoire unique en raison de leurs distances cosmologiques et de leurs mesures de dispersion précises.

Un défi critique dans l'utilisation des FRB pour contraindre $m_\gamma$ est la modélisation précise de la mesure de dispersion (DM) provenant du gaz extragalactique ($DM_{cosmic}$). Des études antérieures se sont appuyées sur des fonctions de distribution (par exemple, Macquart et al. [38]) qui se sont avérées ultérieurement sous-estimer les moments statistiques ou manquer d'informations cosmologiques explicites (Konietzka et al. [56]). De plus, les observations récentes de l'instrument de spectroscopie de l'énergie sombre (DESI) favorisent l'énergie sombre dynamique par rapport à la constante cosmologique standard ($\Lambda$), nécessitant une réévaluation des contraintes sur la masse du photon au sein de modèles accommodant l'énergie sombre dynamique ($w$CDM et $w_0w_a$CDM).

Méthodologie
Les auteurs proposent une approche raffinée pour contraindre $m_\gamma$ en intégrant une modélisation statistique améliorée du gaz extragalactique avec une analyse cosmologique multi-sondes.

1. Distribution de $DM_{cosmic}$ améliorée :
   Les auteurs construisent une fonction de densité de probabilité (PDF) améliorée pour la mesure de dispersion extragalactique. Ce modèle :

• Restaure un facteur de normalisation manquant ($1/\langle DM_{cosmic} \rangle$) présent dans les formulations précédentes.
• Permet aux paramètres de forme $\alpha$ et $\beta$ de varier avec le redshift, plutôt que de les traiter comme des constantes fixes.
• Est calibré par rapport à des données fictives (mock data), où le test de Kolmogorov–Smirnov confirme que la variation des trois paramètres ($\alpha, \beta, \sigma_{cosmic}$) fournit un ajustement nettement meilleur que les modèles à paramètres fixes.

2. Cadre théorique :
   Le délai temporel induit par une masse de photon non nulle est interprété comme une mesure de dispersion effective ($DM_\gamma$). La dispersion totale observée est modélisée comme suit :
   $$DM_{obs} = DM_{MW}^{ISM} + DM_{MW}^{halo} + DM_{cosmic} + \frac{DM_{host}}{1+z} + DM_\gamma$$
   L'analyse emploie trois modèles cosmologiques plats : $\Lambda$CDM, $w$CDM, et $w_0w_a$CDM (ce dernier étant favorisé par les données récentes de DESI). Le paramètre de Hubble adimensionnel $\tilde{E}(z)$ est défini différemment pour chaque modèle afin de prendre en compte l'énergie sombre dynamique.

3. Ensembles de données et vraisemblance :
   L'étude combine quatre ensembles de données distincts pour lever les dégénérescences entre les paramètres cosmologiques et la masse du photon :

• FRB : Un échantillon de 104 FRB localisés (sélectionnés à partir d'une compilation de 115, excluant les valeurs aberrantes et ceux ayant une localisation d'hôte ambiguë).
• SN Ia : 1 590 supernovas de type Ia provenant de la compilation Pantheon+.
• CMB : Paramètres dérivés de Planck 2018 ($l_A, R, \Omega_b h^2$).
• BAO : Dernières mesures de la publication de données 2 (DR2) de DESI.

Une fonction de log-vraisemblance jointe est construite, et des simulations de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) sont effectuées à l'aide du package emcee.

4. Traitement de la galaxie hôte :
   La mesure de dispersion de la galaxie hôte ($DM_{host}$) est modélisée par une distribution log-normale. Les auteurs effectuent deux analyses : une où les paramètres de l'hôte ($\mu_{host}, \sigma_{host}$) sont fixés sur la base des simulations IllustrisTNG (qui supposent $\Lambda$CDM), et une autre où ces paramètres sont traités comme des variables libres pour évaluer les biais potentiels.

Résultats clés
L'analyse produit les limites supérieures à 1$\sigma$ suivantes pour la masse au repos du photon ($m_\gamma$) :

• Modèle $\Lambda$CDM : $m_\gamma \leq 4,83 \times 10^{-51}$ kg
• Modèle $w$CDM : $m_\gamma \leq 4,71 \times 10^{-51}$ kg
• Modèle $w_0w_a$CDM : $m_\gamma \leq 4,86 \times 10^{-51}$ kg

Lorsque les paramètres de la galaxie hôte ($\mu_{host}, \sigma_{host}$) sont traités comme des paramètres libres plutôt que d'être fixés aux valeurs d'IllustrisTNG, les contraintes deviennent légèrement plus strictes :

• $\Lambda$CDM : $m_\gamma \leq 4,28 \times 10^{-51}$ kg
• $w$CDM : $m_\gamma \leq 4,26 \times 10^{-51}$ kg
• $w_0w_a$CDM : $m_\gamma \leq 4,22 \times 10^{-51}$ kg

Les paramètres cosmologiques ($H_0, \Omega_{m0}, \Omega_{b0}h^2$) dérivés de cette étude sont cohérents avec les déterminations précédentes de Planck, DESI et ACT. L'analyse trouve également une préférence pour l'énergie sombre dynamique dans le modèle $w_0w_a$CDM, avec un $w_0$ notablement supérieur à $-1$ et un $w_a$ s'écartant de zéro à plus de $2\sigma$, ce qui s'aligne sur les découvertes récentes de DESI.

Signification et affirmations
L'article affirme fournir les contraintes les plus strictes sur la masse du photon dérivées des FRB à ce jour. Les auteurs soulignent que leurs résultats offrent un soutien empirique robuste et fiable à la nature sans masse du photon.

Un aspect crucial de la signification de l'article est la correction de la fonction de distribution de $DM_{cosmic}$. Les auteurs notent que les études précédentes (par exemple, [46, 57, 59]) qui ont rapporté des limites plus strictes (par exemple, $m_\gamma \leq 3,1 \times 10^{-51}$ kg) utilisaient la distribution non corrigée de Macquart et al. [38], qui omettait le facteur de normalisation. Les auteurs soutiennent que cette omission a considérablement biaisé les contraintes précédentes. En incorporant la distribution corrigée et en utilisant un ensemble de données complet (FRB + SN Ia + CMB + BAO) à travers plusieurs modèles cosmologiques, ce travail établit une base plus fiable pour tester l'hypothèse de la masse du photon.

Les auteurs notent modestement que les limites de masse de photon inférées montrent peu de sensibilité au modèle cosmologique de fond supposé ou au traitement des paramètres de la galaxie hôte, bien qu'ils avertissent que l'échantillon actuel de FRB est dominé par des sources à bas redshift, ce qui peut limiter la sensibilité aux effets cosmologiques à haut redshift.