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

Sintesi Tecnica: Un valore basso di $H_0$ in tensione con la scala delle distanze tramite megamaser usando la ricostruzione della velocità peculiare

Problematica
La "tensione di Hubble" rappresenta una discrepanza significativa tra le misurazioni della costante di Hubble ($H_0$) derivate dalla radiazione cosmica di fondo (CMB) ($67,4 \pm 0,5$ km/s/Mpc) e quelle derivate dalla scala delle distanze locale ($73,5 \pm 0,81$ km/s/Mpc). Una prova critica per risolvere se questa tensione derivi da nuova fisica o da errori sistematici nella scala delle distanze è la misurazione indipendente di $H_0$ utilizzando i megamaser. Le distanze dei megamaser sono geometriche e non dipendono dalla tradizionale scala delle distanze. Il lavoro precedente di Pesce et al. (2020) (P20) ha analizzato i dati dei megamaser e ha trovato un valore di $H_0$ coerente con la scala delle distanze e in tensione con la CMB. Tuttavia, P20 ha modellato le velocità peculiari principalmente come rumore gaussiano casuale. Questo approccio non riesce a tenere conto dei flussi bulk coerenti e delle code non gaussiane nella distribuzione delle velocità causate dall'infall in strutture non lineari, introducendo potenzialmente un bias sistematico nelle correzioni del redshift.

Metodologia
Questo studio rianalizza il campione di sei galassie megamaser di P20, concentrandosi sulla correzione dei redshift osservati per le velocità peculiari utilizzando una ricostruzione del campo di velocità superiore.

1. Ricostruzione della velocità: Inveve di trattare le velocità peculiari come rumore gaussiano, gli autori utilizzano la ricostruzione M25 (McAlpine et al. 2025). A differenza della precedente ricostruzione C15 (Carrick et al. 2015), M25 combina il redshift survey 2M++ con simulazioni cosmologiche vincolate. Ciò consente a M25 di risolvere il campo di velocità su scale più piccole e di catturare più accuratamente i moti galattici non lineari.
2. Correzione dei dati: Gli autori applicano sia la correzione della velocità peculiare C15 che la M25 ai redshift delle sei galassie megamaser. Notano che nella ricostruzione M25, tutte e sei le galassie presentano velocità peculiari positive, con le tre galassie più distanti che partecipano a un outflow coerente su larga scala.
3. Analisi di verosimiglianza: Gli autori adattano una relazione distanza-redshift assumendo una cosmologia $\Lambda$CDM piatta con densità di materia fissa ($\Omega_m = 0,3$). La funzione di verosimiglianza minimizza la differenza tra le distanze misurate e le distanze del modello.
4. Modellazione dell'incertezza: Un miglioramento metodologico chiave è il trattamento dell'incertezza della ricostruzione della velocità ($\sigma_v$). Gli autori aggiungono $\sigma_v$ in quadratura alle incertezze di misura della distanza. Esplorano due approcci:
   • Fissare $\sigma_v$ a vari valori (da 0 a 150 km/s).
   • Trattare $\sigma_v$ come un parametro libero del modello con un prior uniforme, utilizzando il metodo Monte Carlo per catene di Markov (MCMC) per marginalizzare su di esso.

Contributi Chiave

• Identificazione del Bias: Il documento dimostra che modellare le velocità peculiari come rumore gaussiano (come fatto da P20) non riesce a catturare i flussi coerenti e le anomalie non gaussiane. Nel caso specifico del campione dei megamaser, le velocità peculiari positive riducono sistematicamente i redshift corretti, portando a una sovrastima di $H_0$.
• Ricostruzione Superiore: Lo studio stabilisce che la ricostruzione M25, incorporando simulazioni cosmologiche, fornisce una correzione più accurata per queste velocità rispetto al metodo C15 o ai semplici modelli di rumore gaussiano.
• Rivalutazione di $H_0$: Applicando la ricostruzione M25, gli autori derivano una nuova stima di $H_0$ che si sposta significativamente lontano dal valore della scala delle distanze e verso il valore della CMB.

Risultati

• C15 vs. M25: Utilizzando la ricostruzione C15 con $\sigma_v = 150$ km/s si ottiene $H_0 = 71,5 \pm 2,6$ km/s/Mpc, coerente con i risultati di P20. Utilizzando la ricostruzione M25 con lo stesso $\sigma_v$ si ottiene un valore più basso di $H_0 = 69,7 \pm 2,6$ km/s/Mpc.
• Sensibilità a $\sigma_v$: La stima di $H_0$ è sensibile all'incertezza della velocità assunta. Man mano che $\sigma_v$ viene ridotto (assegnando maggior peso alle galassie con misurazioni di distanza precise come NGC 4258), la stima di $H_0$ diminuisce. Per $\sigma_v = 0$, $H_0 = 68,4 \pm 0,9$ km/s/Mpc.
• Risultato Marginalizzato: Trattando $\sigma_v$ come un parametro libero e marginalizzando su di esso (con un limite di 150 km/s), i dati corretti con M25 forniscono un $H_0$ di massima verosimiglianza di $68,7$ km/s/Mpc.
• Tensione Statistica: La probabilità che l' $H_0$ derivato da M25 sia grande quanto o maggiore del valore della scala delle distanze ($73,5$ km/s/Mpc) è calcolata come $P(> H_{DL}) = 0,029$ (2,9%). Ciò indica una tensione superiore a $2\sigma$ tra il risultato dei megamaser (usando M25) e la scala delle distanze, mentre il risultato dei megamaser è coerente con la CMB.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori sostengono che la tensione di Hubble sia probabilmente guidata da un errore sistematico all'interno della scala delle distanze piuttosto che da nuova fisica. Essi contendono che il precedente accordo tra i dati dei megamaser e la scala delle distanze fosse un artefatto di correzioni errate delle velocità peculiari. Utilizzando una ricostruzione della velocità ad alta risoluzione che tiene conto dei flussi coerenti e dei moti non gaussiani, l' $H_0$ derivato dai megamaser si allinea con la CMB e entra in conflitto con la scala delle distanze.

Il documento conclude che:

1. I megamaser rimangono un controllo indipendente vitale per la scala delle distanze, sebbene siano necessari più dati e metodi migliori di stima della distanza per conclusioni definitive.
2. Le velocità peculiari sono una fonte significativa di bias nelle determinazioni di $H_0$ a basso redshift, rendendo necessarie ricostruzioni accurate delle velocità locali.
3. La discrepanza suggerisce che la scala delle distanze richieda un ulteriore esame riguardo ai potenziali sistemi di calibrazione.