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

Résumé technique : Une valeur faible de $H_0$ en tension avec l'échelle des distances à partir des mégamasers via la reconstruction des vitesses particulières

Énoncé du problème
La « tension de Hubble » représente une divergence significative entre les mesures de la constante de Hubble ($H_0$) dérivées du fond diffus cosmologique (CMB) ($67,4 \pm 0,5$ km/s/Mpc) et celles issues de l'échelle des distances locales ($73,5 \pm 0,81$ km/s/Mpc). Un élément crucial pour déterminer si cette tension provient d'une nouvelle physique ou d'erreurs systématiques dans l'échelle des distances est la mesure indépendante de $H_0$ utilisant les mégamasers. Les distances des mégamasers sont géométriques et ne dépendent pas de l'échelle des distances traditionnelle. Des travaux antérieurs par Pesce et al. (2020) (P20) ont analysé les données de mégamasers et ont trouvé une valeur de $H_0$ cohérente avec l'échelle des distances et en tension avec le CMB. Cependant, P20 a modélisé les vitesses particulières principalement comme un bruit gaussien aléatoire. Cette approche ne parvient pas à rendre compte des flux groupés cohérents et des queues non gaussiennes de la distribution des vitesses causées par l'infall dans des structures non linéaires, ce qui peut introduire un biais systématique dans les corrections de décalage vers le rouge (redshift).

Méthodologie
Cette étude réanalyse l'échantillon de six galaxies de mégamasers de P20, en se concentrant sur la correction des décalages vers le rouge observés pour les vitesses particulières à l'aide d'une reconstruction de champ de vitesse supérieure.

1. Reconstruction de la vitesse : Au lieu de traiter les vitesses particulières comme un bruit gaussien, les auteurs utilisent la reconstruction M25 (McAlpine et al. 2025). Contrairement à la reconstruction C15 (Carrick et al. 2015), M25 combine le relevé de redshift 2M++ avec des simulations cosmologiques contraintes. Cela permet à M25 de résoudre le champ de vitesse sur des échelles plus petites et de capturer plus précisément les mouvements galactiques non linéaires.
2. Correction des données : Les auteurs appliquent les corrections de vitesse particulière C15 et M25 aux décalages vers le rouge des six galaxies de mégamasers. Ils notent que dans la reconstruction M25, les six galaxies présentent des vitesses particulières positives, les trois galaxies les plus lointaines participant à un flux sortant cohérent et de grande ampleur.
3. Analyse de vraisemblance : Les auteurs ajustent une relation distance-redshift en supposant une cosmologie $\Lambda$CDM plate avec une densité de matière fixe ($\Omega_m = 0,3$). La fonction de vraisemblance minimise la différence entre les distances mesurées et les distances du modèle.
4. Modélisation de l'incertitude : Une amélioration méthodologique clé est le traitement de l'incertitude de la reconstruction de la vitesse ($\sigma_v$). Les auteurs ajoutent $\sigma_v$ en quadrature aux incertitudes de mesure de distance. Ils exploreent deux approches :
   • Fixer $\sigma_v$ à différentes valeurs (de 0 à 150 km/s).
   • Traiter $\sigma_v$ comme un paramètre de modèle libre avec un a priori uniforme, en utilisant l'échantillonnage de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC) pour marginaliser sur celui-ci.

Principales contributions

• Identification du biais : L'article démontre que la modélisation des vitesses particulières comme un bruit gaussien (telle que réalisée par P20) ne parvient pas à capturer les flux cohérents et les valeurs aberrantes non gaussiennes. Dans le cas spécifique de l'échantillon de mégamasers, les vitesses particulières positives réduisent systématiquement les décalages vers le rouge corrigés, entraînant une surestimation de $H_0$.
• Reconstruction supérieure : L'étude établit que la reconstruction M25, en incorporant des simulations cosmologiques, fournit une correction plus précise pour ces vitesses que la méthode C15 ou les modèles de bruit gaussien simple.
• Réévaluation de $H_0$ : En appliquant la reconstruction M25, les auteurs dérivent une nouvelle estimation de $H_0$ qui s'éloigne significativement de la valeur de l'échelle des distances pour se rapprocher de la valeur du CMB.

Résultats

• C15 vs M25 : L'utilisation de la reconstruction C15 avec $\sigma_v = 150$ km/s donne $H_0 = 71,5 \pm 2,6$ km/s/Mpc, ce qui est cohérent avec les résultats de P20. L'utilisation de la reconstruction M25 avec la même valeur de $\sigma_v$ donne une valeur de $H_0$ plus faible de $69,7 \pm 2,6$ km/s/Mpc.
• Sensibilité à $\sigma_v$ : L'estimation de $H_0$ est sensible à l'incertitude de vitesse supposée. Lorsque $\sigma_v$ est réduit (accordant plus de poids aux galaxies ayant des mesures de distance précises comme NGC 4258), l'estimation de $H_0$ diminue. Pour $\sigma_v = 0$, $H_0 = 68,4 \pm 0,9$ km/s/Mpc.
• Résultat marginalisé : En traitant $\sigma_v$ comme un paramètre libre et en marginalisant sur celui-ci (avec une limite de 150 km/s), les données corrigées par M25 donnent un $H_0$ de maximum de vraisemblance de $68,7$ km/s/Mpc.
• Tension statistique : La probabilité que le $H_0$ dérivé par M25 soit aussi grand ou plus grand que la valeur de l'échelle des distances ($73,5$ km/s/Mpc) est calculée à $P(> H_{DL}) = 0,029$ (2,9 %). Cela indique une tension supérieure à $2\sigma$ entre le résultat des mégamasers (utilisant M25) et l'échelle des distances, alors que le résultat des mégamasers est cohérent avec le CMB.

Signification et affirmations
Les auteurs soutiennent que la tension de Hubble est probablement pilotée par une erreur systématique au sein de l'échelle des distances plutôt que par une nouvelle physique. Ils affirment que l'accord précédent entre les données de mégamasers et l'échelle des distances était un artefact de corrections biaisées des vitesses particulières. En utilisant une reconstruction de vitesse à haute résolution qui tient compte des flux cohérents et des mouvements non gaussiens, le $H_0$ dérivé des mégamasers s'aligne sur le CMB et entre en conflit avec l'échelle des distances.

L'article conclut que :

1. Les mégamasers restent un contrôle indépendant vital de l'échelle des distances, bien que davantage de données et des méthodes d'estimation de distance améliorées soient nécessaires pour des conclusions définitives.
2. Les vitesses particulières sont une source significative de biais dans les déterminations de $H_0$ à bas redshift, nécessitant des reconstructions de vitesse locale précises.
3. La divergence suggère que l'échelle des distances nécessite un examen plus approfondi concernant les potentiels systématiques dans sa calibration.