Joint constraints on $R_h=ct$ cosmology from DESI DR2 BAO, CC, and SN\textit{Ia} Pantheon$^+$ sample

Cette étude compare le modèle standard $\Lambda$CDM à la cosmologie alternative $R_h=ct$ en utilisant des contraintes conjointes issues des données BAO de DESI DR2, des chronomètres cosmiques et des supernovae Pantheon$^+$, révélant que, bien que les deux modèles s'ajustent aux données, $\Lambda$CDM offre un ajustement statistique supérieur et explique naturellement la transition observée du ralentissement à l'accélération, tandis que $R_h=ct$ prédit une expansion strictement linéaire.

L'essentiel

Imaginez l'univers comme un ballon géant qui se gonfle depuis le Big Bang. Depuis des décennies, les scientifiques tentent de déterminer exactement comment ce ballon se gonfle. Accélère-t-il ? Ralentit-il ? Ou s'étend-il à un rythme parfaitement constant et régulier ?

Ce papier est comme une course à égalité entre deux théories différentes sur le comportement de ce ballon, en utilisant les « règles » et les « chronomètres » les plus récents disponibles dans le cosmos.

Les Deux Coureurs

Coureur 1 : Le Modèle Standard (ΛCDM)
Considérez-le comme la « Référence Or » ou l'« Équipe Favorite » de la cosmologie moderne. C'est le champion actuel.

• L'Histoire : Ce modèle indique que l'univers a commencé par se dilater rapidement, puis a ralenti car la gravité (comme une ancre lourde) a tout attiré vers l'intérieur. Mais il y a environ 5 ou 6 milliards d'années, une force mystérieuse appelée « Énergie Sombre » est entrée en jeu, agissant comme un propulseur de fusée, et a commencé à pousser l'univers à se dilater de plus en plus vite.
• La Prédiction : Il prédit un trajet cahoteux : d'abord ralentir, puis accélérer.

Coureur 2 : Le Modèle Rh = ct
C'est le challenger. C'est une théorie plus simple, plus de type « inertie ».

• L'Histoire : Ce modèle suggère que l'univers n'a pas besoin d'un propulseur de fusée mystérieux ni d'une ancre lourde. Au lieu de cela, il se dilate simplement à une vitesse parfaitement constante, comme une voiture au régulateur de vitesse qui n'appuie jamais ni sur l'accélérateur ni sur le frein.
• La Prédiction : Il prédit une ligne droite et plate. Pas de ralentissement, pas d'accélération. Juste une marche régulière et linéaire à travers le temps.

La Piste de Course (Les Données)

Pour voir quel coureur gagne réellement, les auteurs n'ont pas simplement deviné. Ils ont utilisé trois ensembles de données massifs et haute technologie comme piste de course :

1. Chronomètres Cosmiques (CC) : Ce sont comme des « chronomètres cosmiques ». En observant l'âge de différentes galaxies, les scientifiques peuvent mesurer à quelle vitesse l'univers se dilatait à différents moments du passé.
2. Supernovae (Pantheon+) : Ce sont des « chandelles standard ». Ce sont des étoiles en explosion qui brillent toujours avec la même luminosité. En voyant à quel point elles paraissent ternes depuis la Terre, nous pouvons mesurer leur distance et à quelle vitesse elles s'éloignent.
3. DESI DR2 (BAO) : C'est la « règle cosmique ». Elle mesure l'espacement des galaxies à travers l'univers, comme mesurer la distance entre les arbres d'une forêt pour voir à quel point la forêt s'est étirée.

Les Résultats : Qui a gagné ?

Les auteurs ont fait appel à un « juge » statistique sur les données pour voir quel modèle correspond le mieux aux observations. Voici ce qu'ils ont découvert :

• L'Adéquation : Les deux modèles pouvaient « en quelque sorte » expliquer les données, mais le Modèle Standard (ΛCDM) correspondait beaucoup plus étroitement aux données. C'était comme si le Modèle Standard avait touché la cible, tandis que le modèle Rh = ct était à quelques centimètres de la cible.
• Le Score de « Pénalité » : En science, les modèles plus simples sont généralement meilleurs (comme le Rasoir d'Occam), mais seulement s'ils correspondent aux données. Le modèle Rh = ct est plus simple, mais les données ne soutenaient pas sa simplicité. Le Modèle Standard, bien que plus complexe, a été récompensé car il correspondait réellement aux observations.
• L'Âge de l'Univers :
  • Le Modèle Standard a calculé l'âge de l'univers à environ 13,7 milliards d'années. Cela correspond parfaitement à d'autres mesures célèbres (comme celles du satellite Planck).
  • Le Modèle Rh = ct a calculé l'âge à environ 16 milliards d'années. Parce que ce modèle suppose un taux d'expansion constant et plus lent, il pense que l'univers a dû voyager plus longtemps pour atteindre son état actuel.

La Grande Conclusion

Le papier conclut que, bien que l'idée d'« inertie » (Rh = ct) soit un concept intéressant et simple, l'univers ne se comporte pas réellement ainsi. Les données montrent clairement que l'univers a ralenti dans le passé et accélère maintenant.

Le Modèle Standard (ΛCDM) reste la meilleure description que nous ayons de notre histoire cosmique. Cependant, les auteurs notent que la science n'est jamais « terminée ». De nouvelles observations, comme celles du télescope spatial James Webb (JWST) découvrant des galaxies très anciennes et matures qui ne devraient pas encore exister, amènent les scientifiques à se demander : « Notre Modèle Standard est-il parfait, ou simplement le meilleur que nous ayons pour l'instant ? »

En bref : L'univers n'est pas une voiture au régulateur de vitesse ; c'est une voiture qui a freiné puis a enfoncé l'accélérateur à fond. Le Modèle Standard est la carte qui décrit le mieux ce voyage.

Résumé technique

Résumé technique : Contraintes conjointes sur la cosmologie $R_h = ct$ à partir des données BAO de DESI DR2, des horloges cosmiques et de l'échantillon Pantheon+ de supernovae de type Ia

Énoncé du problème
Le modèle cosmologique standard $\Lambda$CDM, bien que empiriquement réussi, fait face à des défis théoriques et observationnels persistants, notamment le problème de la constante cosmologique, la nature de la matière noire et de l'énergie noire, ainsi que la tension de Hubble. Ces problèmes ont motivé l'exploration de cadres alternatifs, tels que les cosmologies de « coasting » où l'Univers se dilate linéairement avec le temps. Un candidat éminent est le modèle $R_h = ct$, qui postule que l'horizon gravitationnel ($R_h$) est égal à $ct$ à tous les instants cosmiques, impliquant une évolution linéaire du facteur d'échelle ($a(t) \propto t$) et un taux d'expansion constant ($q=0$). Bien que des études antérieures aient testé ce modèle contre diverses bases de données, rapportant souvent des ajustements compétitifs, il subsiste un besoin d'une évaluation statistique conjointe rigoureuse utilisant les dernières données observationnelles de haute précision pour déterminer sa viabilité par rapport à $\Lambda$CDM.

Méthodologie
Les auteurs réalisent une analyse comparative du modèle $\Lambda$CDM plat standard et du cadre $R_h = ct$ en utilisant une base de données conjointe comprenant :

1. Horloges cosmiques (CC) : 15 mesures d'âge différentiel de $H(z)$ couvrant $0.1791 \leq z \leq 1.965$.
2. Supernovae de type Ia (SNIa) : Le catalogue Pantheon+ (1701 SN Ia, $0.01 \leq z \leq 2.261$), excluant l'étalonnage de l'échelle de distance SH0ES pour maintenir l'indépendance.
3. Oscillations acoustiques des baryons (BAO) : 13 mesures récentes de l'Instrument spectroscopique de l'énergie noire (DESI) de la deuxième livraison de données (DR2), couvrant $0.295 \leq z \leq 2.330$.

L'analyse utilise un cadre bayésien unifié employant l'algorithme d'échantillonnage imbriqué dynesty pour explorer les distributions a posteriori. Les paramètres clés contraints incluent la constante de Hubble ($H_0$), le paramètre de densité de matière ($\Omega_{m0}$) et l'horizon sonore à l'époque du découplage ($r_d$). Notamment, $r_d$ est traité comme un paramètre libre pour maintenir l'indépendance du modèle, reconnaissant la dégénérescence entre $H_0$ et $r_d$ dans les analyses BAO.

La performance des modèles est évaluée via :

• Analyse de vraisemblance : Minimisation de la fonction $\chi^2$ totale dérivée de la vraisemblance conjointe de toutes les bases de données.
• Critères d'information : Calcul du critère d'information d'Akaike (AIC) et du critère d'information bayésien (BIC) pour pénaliser la complexité du modèle.
• Preuve bayésienne : Calcul du facteur de Bayes ($\ln B$) pour quantifier le soutien relatif d'un modèle par rapport à l'autre.
• Sondes cosmographiques : Reconstruction de l'évolution en décalage vers le rouge du paramètre de Hubble $H(z)$, du paramètre de décélération $q(z)$ et de l'âge cosmique $t(z)$ directement à partir des échantillons a posteriori.

Résultats clés

• Préférence statistique : Le modèle $\Lambda$CDM surpasse systématiquement le modèle $R_h = ct$ sur tous les indicateurs statistiques. Le modèle $\Lambda$CDM donne un chi-deux minimum de $\chi^2_{\min} = 1574.88$ ($\chi^2_{\text{red}} = 0.975$), tandis que $R_h = ct$ donne $\chi^2_{\min} = 1629.51$ ($\chi^2_{\text{red}} = 1.008$).
• Critères de sélection de modèle : Les différences dans les critères d'information sont décisives : $\Delta \text{AIC} = 52.63$ et $\Delta \text{BIC} = 47.24$. Selon les critères standards ($\Delta > 10$), cela constitue une forte preuve contre le modèle $R_h = ct$. Le facteur de Bayes est $\ln B = -2.3$, indiquant un soutien faible à modéré pour $\Lambda$CDM par rapport à $R_h = ct$.
• Contraintes sur les paramètres :
  • $\Lambda$CDM : $H_0 = 68.3 \pm 4.6$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ et $\Omega_{m0} = 0.309 \pm 0.008$. L'âge dérivé est $t_0 = 13.676^{+0.92}_{-0.81}$ Gyr, cohérent avec les résultats du fond diffus cosmologique (CMB) de Planck 2018.
  • $R_h = ct$ : $H_0 = 61.1 \pm 4.1$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ et $r_d = 151.4^{+8.9}_{-11}$ Mpc. L'âge dérivé est $t_0 = 16.035^{+1.09}_{-0.98}$ Gyr.
• Histoire de l'expansion : L'évolution de $H(z)$ pour $\Lambda$CDM correspond aux données observationnelles sur toute la plage de décalage vers le rouge. En revanche, le modèle $R_h = ct$ sous-estime systématiquement $H(z)$ aux décalages vers le rouge intermédiaires et élevés ($z \gtrsim 1$).
• Paramètre de décélération : Le modèle $\Lambda$CDM reproduit naturellement la transition de la décélération aux temps précoces ($q > 0$) à l'accélération aux temps tardifs ($q < 0$) à $z \approx 0.6$. Le modèle $R_h = ct$ prédit une expansion strictement linéaire avec $q(z) = 0$ à tous les décalages vers le rouge, échouant à capturer la transition observée vers l'accélération.
• Cohérence BAO : Bien que les deux modèles puissent reproduire les rapports de distance DESI DR2 BAO ($D_M/r_d$ et $D_H/r_d$) dans les incertitudes observationnelles, le modèle $\Lambda$CDM présente des résidus plus petits et distribués aléatoirement. Le modèle $R_h = ct$ montre un motif systématique de déviation, en particulier dans l'indicateur $D_H(z)/r_d$.

Signification et affirmations
L'article prétend fournir la première comparaison statistique conjointe de $R_h = ct$ et $\Lambda$CDM utilisant les bases de données combinées CC + Pantheon+ + DESI DR2 dans un cadre bayésien unifié. Les auteurs affirment que leurs résultats valident la fiabilité des contraintes DESI DR2, CC et Pantheon+, car l'âge dérivé de $\Lambda$CDM s'aligne sur les résultats du CMB de Planck 2018.

L'étude conclut que, bien que le modèle $R_h = ct$ fournisse un ajustement acceptable dans les limites statistiques, il est décisivement défavorisé par rapport à $\Lambda$CDM en raison de son incapacité à reproduire la transition observée de la décélération à l'accélération et de sa performance inférieure dans les métriques informationnelles. Les auteurs notent que, bien que le modèle standard fasse face à des défis théoriques (par exemple, la nature de l'énergie noire et la tension de Hubble), les données observationnelles actuelles soutiennent fortement le paradigme $\Lambda$CDM comme la description supérieure de l'histoire de l'expansion de l'Univers. L'article reconnaît que les récentes observations du JWST de galaxies matures à haut décalage vers le rouge et les indices de DESI suggérant une énergie noire évolutive indiquent que le paradigme de concordance pourrait nécessiter des affinements futurs, mais ceux-ci ne valident pas actuellement l'alternative $R_h = ct$.