Newest measurements of Hubble constant from DESI 2024 BAO observations

Resumo Técnico: Novas Medições da Constante de Hubble a partir das Observações de BAO do DESI 2024

Enunciado do Problema
O artigo aborda a persistente "tensão de Hubble", uma discrepância significativa entre as medições da constante de Hubble ($H_0$) derivadas do Universo primordial (ex: dados da CMB do Planck resultando em $H_0 \approx 67,4$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$) e aquelas provenientes do Universo tardio (ex: dados de SN Ia do SH0ES resultando em $H_0 \approx 73,04$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$). Esta tensão, atualmente em um nível de significância de 5–6$\sigma$, desafia o modelo cosmológico padrão $\Lambda$CDM. Tentativas anteriores de resolver isso usando Oscilações Acústicas de Bárions (BAO) frequentemente dependiam da escala do horizonte de som ($r_d$) no épocas de arrasto, efetivamente introduzindo um prior dependente da física do Universo primordial ou da calibração da CMB. Os autores visam determinar $H_0$ utilizando uma abordagem puramente orientada por dados e independente de modelo, que contorna a necessidade de calibração de $r_d$ ou da calibração intrínseca de luminosidade de Supernovas do Tipo Ia (SN Ia).

Metodologia
Os autores utilizam as mais recentes medições de BAO do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) do Data Release 1 (DR1), cobrindo a faixa de redshift $z = 0,51 - 2,33$. O núcleo de seu método baseia-se na Relação de Dualidade de Distância (DDR), $d_L(z) = (1+z)^2 d_A(z)$, que vincula a distância de luminosidade ($d_L$) e a distância de diâmetro angular ($d_A$) em qualquer teoria métrica da gravidade onde o número de fótons é conservado.

A constante de Hubble é formulada como:
$$H_0 = \frac{1}{(1+z)^2} \frac{\Xi_{\text{SNIa}}(z)}{\Xi_{\text{BAO}}(z)} H_{\text{CC}}(z)$$
onde:

• $\Xi_{\text{SNIa}}(z) = H_0 d_L(z)$ é a distância de luminosidade não ancorada derivada das magnitudes aparentes de SN Ia.
• $\Xi_{\text{BAO}}(z) = H(z) d_A(z)$ é derivada das medições de BAO do DESI das distâncias comoventes transversais ($D_M$) e na linha de visada ($D_H$). Crucialmente, a razão $D_M/D_H$ permite o cálculo de $H(z)d_A(z)$ sem conhecer o valor absoluto do horizonte de som $r_d$.
• $H_{\text{CC}}(z)$ é o parâmetro de Hubble medido diretamente via cronômetros cósmicos (CC).

Para avaliar esta equação nos redshifts específicos dos cinco pontos de dados de BAO do DESI, os autores empregam a regressão por Processos Gaussianos (GP) para reconstruir as funções contínuas de $H_0 d_L(z)$ (do conjunto de dados de SN Ia Pantheon+) e $H(z)$ (de uma compilação de 32 medições de CC). A regressão GP utiliza o modelo $\Lambda$CDM como uma função média prior, mas é projetada para ser independente de modelo em seu resultado final, selecionando as curvas de melhor ajuste com base na minimização de $\chi^2$. A análise marginaliza as incertezas sistemáticas usando matrizes de covariância para ambos os dados de SN Ia e CC.

Principais Contribuições

1. Determinação de $H_0$ Independente de Modelo: O artigo demonstra um método para restringir $H_0$ usando dados de BAO sem depender da escala do horizonte de som ($r_d$) ou da calibração da magnitude absoluta de SN Ia ($M_B$). Isso elimina a circularidade frequentemente encontrada em análises de escada de distância que dependem de priors do Universo primordial.
2. Integração do DESI DR1: O estudo incorpora as mais recentes e precisas medições de BAO do DESI, que oferecem uma precisão maior (aprox. 0,49%) na escala isotrópica em comparação com levantamentos anteriores do SDSS, apesar de cobrir apenas metade da área pretendida do levantamento.
3. Reconstrução Robusta: Ao utilizar a regressão GP com um prior fiducial $\Lambda$CDM, os autores mostram que os resultados da reconstrução são robustos contra a escolha da função média (comparando $\Lambda$CDM e $w_0w_a$CDM) e o número de curvas reconstruídas, confirmando a estabilidade do método.

Resultados
Utilizando as restrições conjuntas de cinco redshifts de BAO do DESI ($z = 0,51, 0,706, 0,93, 1,317, 2,33$), os autores derivam uma constante de Hubble de:
$$H_0 = 68,4^{+1,0}_{-0,8} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$$
a um nível de confiança de 68%, correspondendo a uma precisão de 1,3%.

• Consistência: Este resultado está em excelente concordância (dentro de 1$\sigma$) com os resultados da CMB do Planck ($67,4 \pm 0,5$) e os resultados do Tip of the Red Giant Branch (TRGB) ($68,5 \pm 1,5$).
• Tensão: A medição permanece em uma tensão de 4,3$\sigma$ com os resultados do projeto SH0ES ($73,04 \pm 1,04$).
• Análise de Sensibilidade: Os autores observam que a inclusão do traçador Luminous Red Galaxy (LRG) introduz uma influência não desprezível. Excluir pontos de dados específicos de LRG desloca ligeiramente o resultado (ex: para $69,7^{+1,1}_{-1,0}$ sem LRG1), destacando potenciais efeitos sistemáticos no traçador LRG que merecem investigação futura nos dados de 3 e 5 anos do DESI.
• Extrapolação de Alto Redshift: A análise reconhece que o ponto Lyman-$\alpha$ ($z=2,33$) está fora da faixa de redshift dos dados de SN Ia e CC, o que pode introduzir viés. Excluir este ponto resulta em uma estimativa corrigida de $68,6 \pm 1,0$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, que permanece consistente com o resultado principal.

Significância
O artigo afirma que este resultado fornece uma medição cosmológica fundamental com mínimas suposições, baseando-se apenas em reconstruções orientadas por dados. Os autores argumentam que a persistência da tensão entre o resultado baseado no DESI e as medições locais do SH0ES sugere que a tensão de Hubble não é meramente uma discrepância entre observações de baixo e alto redshift (já que o DESI sonda redshifts intermediários), mas aponta para uma diferença física mais profunda entre o Universo primordial e o tardio. O trabalho apoia a validade da história de expansão do modelo padrão $\Lambda$CDM, ao mesmo tempo em que destaca a necessidade de investigar efeitos sistemáticos nas escadas de distância locais ou nova física no Universo primordial para resolver a tensão remanescente.