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

Résumé technique : Modélisation directe des tests de Tolman et de la dualité de distance avec IllustrisTNG

Énoncé du problème
Des résultats observationnels récents ont présenté des signaux qui semblent remettre en question le modèle cosmologique standard $\Lambda$CDM et la relation de dualité de distance d'Etherington ($D_L = (1+z)^2 D_A$). Plus précisément, les mesures de la brillance de surface (SB) par JWST/ASTRODEEP suggèrent une mise à l'échelle en décalage vers le rouge (redshift) beaucoup plus plate que l'attendu $(1+z)^{-4}$ (bolométrique) ou $(1+z)^{-(3+\alpha_{SED})}$ (flux spécifique) pour des sources sans évolution. De même, des analyses de sources radio ultra-compactes suggèrent un rapport de dualité de distance ($D_L/D_A$) évoluant plus proche de $(1+z)$ plutôt que de $(1+z)^2$. Bien que ces découvertes aient été interprétées par certains comme une preuve de cosmologies non-étendues (par exemple, les modèles de lumière fatiguée ou tired-light), elles sont également sensibles à l'évolution astrophysique des sources et aux biais systématiques instrumentaux. Le problème central abordé est de savoir si ces « anomalies » peuvent être expliquées par une évolution intrinsèque de la luminosité et de la taille au sein d'une cosmologie de Friedmann–Robertson–Walker (FRW) standard, ou si elles nécessitent une rupture de la gravité métrique.

Méthodologie
Les auteurs emploient une approche de modélisation directe utilisant la simulation hydrodynamique cosmologique IllustrisTNG-100 pour tester l'hypothèse selon laquelle l'évolution des sources, plutôt qu'une cosmologie non-standard, conduit les signaux observés.

1. Sources de données :

   • Observationnelles : Le catalogue ASTRODEEP-JWST (Merlin et al. 2024) pour le test de Tolman et la compilation de Li (2023) de sources radio ultra-compactes (JJ2.29 et GKF5.0) pour le test de dualité de distance (DDR).
   • Simulation : La simulation IllustrisTNG-100-1, utilisant des images fictives (mock) HST/JWST issues de l'archive MAST.

2. Sélection spectroscopique fictive :
   Puisque la simulation TNG ne possède pas de vrais spectres, les auteurs ont entraîné un classificateur de régression logistique binaire sur le catalogue ASTRODEEP pour prédire la probabilité ($p_{spec}$) qu'une galaxie reçoive un décalage vers le rouge spectroscopique confirmé en fonction de ses propriétés photométriques (magnitudes, couleurs, brillance de surface, aire d'ouverture, et proxy de redshift). Ce classificateur a été appliqué aux galaxies fictives de TNG pour créer un échantillon « spectroscopique fictif » imitant les biais de sélection des données observationnelles réelles.

3. Modélisation directe de l'évolution :
   L'étude définit deux exposants d'évolution distincts :

   • $\gamma_\Sigma$ : l'exposant de la densité de luminosité projetée ($\Sigma_L \propto (1+z)^{\gamma_\Sigma}$), qui régit le test de SB de Tolman.
   • $\gamma_\rho$ : l'exposant de la densité de luminosité volumétrique ($\rho_L \propto (1+z)^{\gamma_\rho}$), qui régit le test DDR sous l'hypothèse de la source compacte de Li (2023).

   Les auteurs calculent ces exposants dans la simulation TNG en utilisant quatre conventions d'ouverture différentes (flux du catalogue, ouverture d'image circulaire fixe, ouverture d'image décomptée par Voronoi, et ouverture adaptative) afin de quantifier les incertitudes systématiques. Ils cartographient ensuite les exposants simulés vers les paramètres de mise à l'échelle observables ($\alpha_{Tol}$ et $\alpha_{DDR}$) pour une comparaison directe avec les données observationnelles.

4. Vérifications systématiques :
   L'analyse inclut des vérifications rigoureuses sur l'appariement de la distribution en redshift, les définitions d'ouverture, les algorithmes de décomptage (Voronoi vs Gaussien), la convolution PSF, le bruit du ciel et la variance cosmique.

Résultats clés

• Unification des termes d'évolution : Dans la simulation TNG, l'exposant de la densité de luminosité projetée ($\gamma_\Sigma$) et l'exposant de la densité de luminosité volumétrique ($\gamma_\rho$) sont trouvés être effectivement identiques pour l'échantillon de galaxies brillantes appariées ($\gamma_\Sigma \approx \gamma_\rho$). Cela permet d'unifier les deux tests distincts sous un seul exposant d'évolution effectif, $\gamma$.
• Valeur d'évolution simulée : À travers des conventions d'ouverture réalistes, la simulation TNG produit un exposant de densité de luminosité effectif de $\gamma = 2,23 \pm 0,20$.
• Reproduction des signaux observationnels :
  • Test de Tolman : Le modèle direct TNG produit une pente de Tolman ($\alpha_{Tol}$) de $-0,88 \pm 0,03$ (décomptage Voronoi), ce qui est nettement plus plat que la prédiction FRW sans évolution de $-3,3$ (pour $\alpha_{SED}=0,3$) et correspond étroitement à la pente observée d'ASTRODEEP de $-1,28 \pm 0,05$.
  • Test de dualité de distance : Le $\gamma$ dérivé de TNG prédit une pente DDR de $\alpha_{DDR} \approx 1,26$, ce qui est en bon accord avec la valeur des données de sources radio de $\alpha_{DDR} = 1,17 \pm 0,09$ (correspondant à $\gamma = 2,50 \pm 0,26$).
• Analyse des écarts : Un léger écart résiduel existe entre le $\gamma$ des galaxies brillantes de TNG et le $\gamma$ des sources radio ($\Delta\gamma \approx 0,27 \pm 0,33$). Les auteurs interprètent cela comme une indication potentielle que les AGN radio compacts évoluent légèrement plus fortement en densité de luminosité que les galaxies brillantes modélisées dans TNG, plutôt que comme un échec du modèle cosmologique.
• Clarification de la normalisation : L'article démontre que l'alignement apparent des données radio avec la ligne « non-étendue » ($D_L = (1+z)D_A$) dans les études précédentes est un artefact de la convention de normalisation arbitraire utilisée pour l'échelle de taille au repos ($d_0$). Lorsqu'on considère uniquement la pente, les données se situent entre la prédiction FRW sans évolution et la limite non-étendue, et non strictement sur cette dernière.

Signification et affirmations
L'article affirme que les « anomalies » rapportées dans les tests récents de Tolman et de dualité de distance ne nécessitent pas de modifications de la cosmologie standard ou l'introduction de modèles non-étendus. Au contraire, les résultats sont pleinement cohérents avec la physique de formation des galaxies du modèle $\Lambda$CDM standard, où l'évolution intrinsèque des sources (spécifiquement l'augmentation de la densité de luminosité avec le redshift) produit naturellement les pentes de mise à l'échelle peu profondes observées.

Les auteurs concluent que :

1. Les résultats de Tolman et de la DDR ne sont pas des anomalies indépendantes nécessitant une explication cosmologique coordonnée, mais sont deux mesures de la même évolution de source sous-jacente.
2. L'ampleur de cette évolution est correctement prédite par la simulation IllustrisTNG.
3. Les données ne soutiennent pas de manière univoque un univers non-étendu ; elles se situent plutôt dans un régime intermédiaire entre le FRW sans évolution et les modèles non-étendus.
4. Les futures inférences cosmologiques issues de ces tests nécessitent un étalonnage précis de l'évolution des sources et des biais photométriques (particulièrement les définitions d'ouverture et le décomptage) plutôt qu'une révision de la théorie métrique de la gravité.

Ce travail recadre ces tests comme des sondes de l'évolution des galaxies à haut redshift et des systématiques inhérentes à leur mesure, offrant une voie pour contraindre les modèles de formation de galaxies sans invoquer une nouvelle physique.