Newest measurements of Hubble constant from DESI 2024 BAO observations

Sintesi Tecnica: Nuove Misurazioni della Costante di Hubble dalle Osservazioni BAO di DESI 2024

Problematica
Il documento affronta la persistente "tensione di Hubble", una significativa discrepanza tra le misurazioni della costante di Hubble ($H_0$) derivate dall'Universo primordiale (ad esempio, i dati CMB di Planck che forniscono $H_0 \approx 67,4$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$) e quelle derivate dall'Universo tardivo (ad esempio, i dati SN Ia di SH0ES che forniscono $H_0 \approx 73,04$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$). Questa tensione, attualmente a un livello di significatività di 5–6$\sigma$, mette in discussione il modello cosmologico standard $\Lambda$CDM. I precedenti tentativi di risolverla utilizzando le Oscillazioni Acustiche dei Barioni (BAO) si sono spesso basati sulla scala dell'orizzonte sonoro ($r_d$) all'epoca del drag, utilizzando efficacemente un righello standard che introduceva un prior dipendente dalla fisica dell'Universo primordiale o dalla calibrazione del CMB. Gli autori mirano a determinare $H_0$ attraverso un approccio puramente guidato dai dati e indipendente dal modello, che eluda la necessità di calibrazione di $r_d$ o della calibrazione intrinseca della luminosità delle Supernovae di Tipo Ia (SN Ia).

Metodologia
Gli autori utilizzano le più recenti misurazioni BAO del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Data Release 1 (DR1), che coprono l'intervallo di redshift $z = 0,51 - 2,33$. Il nucleo del loro metodo si basa sulla Relazione di Dualità della Distanza (DDR), $d_L(z) = (1+z)^2 d_A(z)$, che lega la distanza di luminosità ($d_L$) e la distanza di diametro angolare ($d_A$) in qualsiasi teoria metrica della gravità in cui il numero di fotoni sia conservato.

La costante di Hubble è formulata come:
$$H_0 = \frac{1}{(1+z)^2} \frac{\Xi_{\text{SNIa}}(z)}{\Xi_{\text{BAO}}(z)} H_{\text{CC}}(z)$$
dove:

• $\Xi_{\text{SNIa}}(z) = H_0 d_L(z)$ è la distanza di luminosità non ancorata derivata dalle magnitudini apparenti delle SN Ia.
• $\Xi_{\text{BAO}}(z) = H(z) d_A(z)$ è derivata dalle misurazioni DESI BAO delle distanze comoventi trasversale ($D_M$) e lungo la linea di vista ($D_H$). Fondamentalmente, il rapporto $D_M/D_H$ permette il calcolo di $H(z)d_A(z)$ senza conoscere il valore assoluto dell'orizzonte sonoro $r_d$.
• $H_{\text{CC}}(z)$ è il parametro di Hubble misurato direttamente tramite cronometri cosmici (CC).

Per valutare questa equazione ai redshift specifici dei cinque punti dati DESI BAO, gli autori impiegano la regressione dei Processi Gaussiani (GP) per ricostruire le funzioni continue di $H_0 d_L(z)$ (dai dati SN Ia Pantheon+) e $H(z)$ (da una compilazione di 32 misurazioni CC). La regressione GP utilizza il modello $\Lambda$CDM come funzione media di prior, ma è progettata per essere indipendente dal modello nel risultato finale, selezionando le curve migliori in base alla minimizzazione del $\chi^2$. L'analisi marginalizza le incertezze sistematiche utilizzando matrici di covarianza sia per i dati SN Ia che per i dati CC.

Contributi Chiave

1. Determinazione di $H_0$ Indipendente dal Modello: Il documento dimostra un metodo per vincolare $H_0$ utilizzando i dati BAO senza fare affidamento sulla scala dell'orizzonte sonoro ($r_d$) o sulla calibrazione della magnitudine assoluta delle SN Ia ($M_B$). Ciò elimina la circolarità spesso presente nelle analisi della scala delle distanze che dipendono da prior dell'Universo primordiale.
2. Integrazione di DESI DR1: Lo studio incorpora le più recenti e precise misurazioni BAO di DESI, che offrono una precisione superiore (circa 0,49%) sulla scala isotropa rispetto ai precedenti sondaggi SDSS, nonostante coprano solo la metà dell'area di indagine prevista.
3. Ricostruzione Robusta: Utilizzando la regressione GP con un prior fiduciale $\Lambda$CDM, gli autori dimostrano che i risultati della ricostruzione sono robusti rispetto alla scelta della funzione media (confrontando $\Lambda$CDM e $w_0w_a$CDM) e al numero di curve ricostruite, confermando la stabilità del metodo.

Risultati
Utilizzando i vincoli congiunti da cinque redshift DESi BAO ($z = 0,51, 0,706, 0,93, 1,317, 2,33$), gli autori derivano una costante di Hubble di:
$$H_0 = 68,4^{+1,0}_{-0,8} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$$
a un livello di confidenza del 68%, corrispondente a un'accuratezza dell'1,3%.

• Consistenza: Questo risultato è in eccellente accordo (entro 1$\sigma$) con i risultati del CMB di Planck ($67,4 \pm 0,5$) e i risultati del Tip of the Red Giant Branch (TRGB) ($68,5 \pm 1,5$).
• Tensione: La misurazione rimane in una tensione di 4,3$\sigma$ con i risultati del progetto SH0ES ($73,04 \pm 1,04$).
• Analisi di Sensibilità: Gli autori notano che l'inclusione del tracciante Luminous Red Galaxy (LRG) introduce un'influenza non trascurabile. Escludere specifici punti dati LRG sposta leggermente il risultato (ad esempio, a $69,7^{+1,1}_{-1,0}$ senza LRG1), evidenziando potenziali effetti sistematici nei traccianti LRG che richiedono ulteriori indagini nei dati a 3 e 5 anni di DESI.
• Estrapolazione ad Alto Redshift: L'analisi riconosce che il punto Lyman-$\alpha$ ($z=2,33$) si trova al di fuori dell'intervallo di redshift dei dati SN Ia e CC, il che potrebbe introdurre un bias. Escludendo questo punto, si ottiene una stima corretta di $68,6 \pm 1,0$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, che rimane coerente con il risultato primario.

Significatività
Il documento sostiene che questo risultato fornisce una misurazione cosmologica fondamentale con assunzioni minime, basandosi esclusivamente su ricostruzioni guidate dai dati. Gli autori argomentano che la persistenza della tensione tra il loro risultato basato su DESI e le misurazioni locali di SH0ES suggerisce che la tensione di Hubble non sia semplicemente una discrepanza tra osservazioni a basso e alto redshift (poiché DESI sonda redshift intermedi), ma punti piuttosto a una differenza fisica più profonda tra l'Universo primordiale e quello tardivo. Il lavoro supporta la validità della storia dell'espansione del modello standard $\Lambda$CDM, sottolineando al contempo la necessità di investigare gli effetti sistematici nelle scale di distanza locali o nuova fisica nell'Universo primordiale per risolvere la tensione rimanente.