Joint constraints on $R_h=ct$ cosmology from DESI DR2 BAO, CC, and SN\textit{Ia} Pantheon$^+$ sample

Este estudo compara o modelo padrão $\Lambda$CDM com a cosmologia alternativa $R_h=ct$ utilizando restrições conjuntas provenientes de DESI DR2 BAO, relógios cósmicos e dados de supernovas Pantheon$^+$, constatando que, embora ambos os modelos se ajustem aos dados, o $\Lambda$CDM oferece um ajuste estatístico superior e explica naturalmente a transição observada da desaceleração para a aceleração, ao passo que a $R_h=ct$ prevê uma expansão estritamente linear.

O essencial

Imagine o universo como um balão gigante que vem inflando desde o Big Bang. Há décadas, cientistas têm tentado descobrir exatamente como esse balão está inflando. Está acelerando? Desacelerando? Ou está se expandindo a um ritmo perfeitamente constante e uniforme?

Este artigo é como uma corrida direta entre duas teorias diferentes sobre como esse balão se comporta, utilizando as "réguas" e "cronômetros" mais atualizados disponíveis no cosmos.

Os Dois Corredores

Corredor 1: O Modelo Padrão (ΛCDM)
Pense nele como o "Padrão Ouro" ou a "Equipe Favorita" da cosmologia moderna. É o atual campeão.

• A História: Este modelo afirma que o universo começou a se expandir rapidamente, depois desacelerou porque a gravidade (como uma âncora pesada) puxou tudo junto. Mas então, há cerca de 5 ou 6 bilhões de anos, uma força misteriosa chamada "Energia Escura" entrou em ação, atuando como um propulsor de foguete, e começou a empurrar o universo para se expandir cada vez mais rápido.
• A Previsão: Prevê uma viagem irregular: desacelerar primeiro, depois acelerar.

Corredor 2: O Modelo Rh = ct
Este é o desafiante. É uma teoria mais simples, de "deslizamento".

• A História: Este modelo sugere que o universo não precisa de um propulsor de foguete misterioso nem de uma âncora pesada. Em vez disso, ele simplesmente se expande a uma velocidade perfeitamente constante, como um carro no piloto automático que nunca toca no acelerador ou no freio.
• A Previsão: Prevê uma linha reta e plana. Sem desaceleração, sem aceleração. Apenas uma marcha constante e linear através do tempo.

A Pista de Corrida (Os Dados)

Para ver qual corredor está realmente vencendo, os autores não apenas adivinharam. Eles usaram três conjuntos de dados massivos e de alta tecnologia como sua pista de corrida:

1. Cronômetros Cósmicos (CC): Estes são como "cronômetros cósmicos". Ao observar a idade de diferentes galáxias, os cientistas podem medir a velocidade com que o universo estava se expandindo em diferentes momentos do passado.
2. Supernovas (Pantheon+): Estas são "velas padrão". São estrelas em explosão que sempre brilham com o mesmo brilho. Ao ver quão fracas elas parecem da Terra, podemos medir quão distantes estão e quão rápido estão se afastando.
3. DESI DR2 (BAO): Esta é a "régua cósmica". Mede o espaçamento entre galáxias em todo o universo, como medir a distância entre árvores em uma floresta para ver o quanto a floresta se esticou.

Os Resultados: Quem Venceu?

Os autores aplicaram um "juiz" estatístico sobre os dados para ver qual modelo se ajusta melhor às observações. Eis o que descobriram:

• O Ajuste: Ambos os modelos conseguiram "de certa forma" explicar os dados, mas o Modelo Padrão (ΛCDM) ajustou-se aos dados muito mais firmemente. Foi como se o Modelo Padrão tivesse acertado o alvo, enquanto o modelo Rh = ct ficou a alguns centímetros de distância.
• A Pontuação de "Penalidade": Na ciência, modelos mais simples são geralmente melhores (como a Navalha de Occam), mas apenas se se ajustarem aos dados. O modelo Rh = ct é mais simples, mas os dados não apoiaram sua simplicidade. O Modelo Padrão, embora mais complexo, foi recompensado porque realmente correspondia às observações.
• A Idade do Universo:
  • O Modelo Padrão calculou a idade do universo em cerca de 13,7 bilhões de anos. Isso coincide perfeitamente com outras medições famosas (como as do satélite Planck).
  • O Modelo Rh = ct calculou a idade em cerca de 16 bilhões de anos. Como este modelo assume uma taxa de expansão constante e mais lenta, ele pensa que o universo teve que viajar por mais tempo para chegar onde está agora.

A Grande Conclusão

O artigo conclui que, embora a ideia de "deslizamento" (Rh = ct) seja um conceito interessante e simples, o universo realmente não se comporta dessa maneira. Os dados mostram claramente que o universo desacelerou no passado e está acelerando agora.

O Modelo Padrão (ΛCDM) permanece a melhor descrição que temos de nossa história cósmica. No entanto, os autores observam que a ciência nunca está "concluída". Novas observações, como as do Telescópio Espacial James Webb (JWST) encontrando galáxias muito antigas e maduras que não deveriam existir ainda, estão fazendo os cientistas perguntar: "Nosso Modelo Padrão é perfeito, ou apenas o melhor que temos por enquanto?"

Em resumo: O universo não é um carro no piloto automático; é um carro que pisou no freio e depois pisou fundo no acelerador. O Modelo Padrão é o mapa que melhor descreve essa jornada.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Restrições Conjuntas à Cosmologia $R_h = ct$ a partir de DESI DR2 BAO, CC e da Amostra Pantheon+ de SNIa

Declaração do Problema
O modelo cosmológico padrão $\Lambda$CDM, embora empiricamente bem-sucedido, enfrenta desafios teóricos e observacionais persistentes, incluindo o problema da constante cosmológica, a natureza da matéria escura e da energia escura, e a tensão de Hubble. Essas questões motivaram a exploração de estruturas alternativas, como as cosmologias de desaceleração, onde o Universo se expande linearmente com o tempo. Um candidato proeminente é o modelo $R_h = ct$, que postula que o horizonte gravitacional ($R_h$) é igual a $ct$ em todos os tempos cósmicos, implicando uma evolução linear do fator de escala ($a(t) \propto t$) e uma taxa de expansão constante ($q=0$). Embora estudos anteriores tenham testado este modelo contra vários conjuntos de dados, frequentemente relatando ajustes competitivos, permanece a necessidade de uma avaliação estatística conjunta e rigorosa, utilizando os mais recentes dados observacionais de alta precisão, para determinar sua viabilidade em relação ao $\Lambda$CDM.

Metodologia
Os autores realizam uma análise comparativa do modelo $\Lambda$CDM plano padrão e da estrutura $R_h = ct$ utilizando um conjunto de dados conjunto composto por:

1. Relógios Cósmicos (CC): 15 medições de idade diferencial de $H(z)$ abrangendo $0.1791 \leq z \leq 1.965$.
2. Supernovas Tipo Ia (SNIa): A compilação Pantheon+ (1701 SNe Ia, $0.01 \leq z \leq 2.261$), excluindo a calibração da escada de distâncias SH0ES para manter a independência.
3. Oscilações Acústicas Bariônicas (BAO): 13 medições recentes do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI) da Liberação de Dados 2 (DR2), cobrindo $0.295 \leq z \leq 2.330$.

A análise emprega uma estrutura bayesiana unificada utilizando o algoritmo de amostragem aninhada dynesty para explorar as distribuições posteriores. Os parâmetros chave restringidos incluem a constante de Hubble ($H_0$), o parâmetro de densidade de matéria ($\Omega_{m0}$) e o horizonte de som na época do arrasto ($r_d$). Notavelmente, $r_d$ é tratado como um parâmetro livre para manter a independência do modelo, reconhecendo a degenerescência entre $H_0$ e $r_d$ nas análises de BAO.

O desempenho do modelo é avaliado através de:

• Análise de Verossimilhança: Minimização da função total $\chi^2$ derivada da verossimilhança conjunta de todos os conjuntos de dados.
• Critérios de Informação: Cálculo do Critério de Informação de Akaike (AIC) e do Critério de Informação Bayesiano (BIC) para penalizar a complexidade do modelo.
• Evidência Bayesiana: Cálculo do fator de Bayes ($\ln B$) para quantificar o suporte relativo de um modelo sobre o outro.
• Sondas Cosmográficas: Reconstrução da evolução do desvio para o vermelho do parâmetro de Hubble $H(z)$, do parâmetro de desaceleração $q(z)$ e da idade cósmica $t(z)$ diretamente a partir das amostras posteriores.

Resultados Chave

• Preferência Estatística: O modelo $\Lambda$CDM supera consistentemente o modelo $R_h = ct$ em todos os indicadores estatísticos. O modelo $\Lambda$CDM produz um qui-quadrado mínimo de $\chi^2_{\min} = 1574.88$ ($\chi^2_{\text{red}} = 0.975$), enquanto $R_h = ct$ produz $\chi^2_{\min} = 1629.51$ ($\chi^2_{\text{red}} = 1.008$).
• Critérios de Seleção de Modelo: As diferenças nos critérios de informação são decisivas: $\Delta \text{AIC} = 52.63$ e $\Delta \text{BIC} = 47.24$. De acordo com critérios padrão ($\Delta > 10$), isso constitui evidência forte contra o modelo $R_h = ct$. O fator de Bayes é $\ln B = -2.3$, indicando suporte fraco a moderado para $\Lambda$CDM sobre $R_h = ct$.
• Restrições de Parâmetros:
  • $\Lambda$CDM: $H_0 = 68.3 \pm 4.6$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ e $\Omega_{m0} = 0.309 \pm 0.008$. A idade derivada é $t_0 = 13.676^{+0.92}_{-0.81}$ Gyr, consistente com os resultados do CMB Planck 2018.
  • $R_h = ct$: $H_0 = 61.1 \pm 4.1$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$ e $r_d = 151.4^{+8.9}_{-11}$ Mpc. A idade derivada é $t_0 = 16.035^{+1.09}_{-0.98}$ Gyr.
• História de Expansão: A evolução de $H(z)$ para $\Lambda$CDM corresponde aos dados observacionais em toda a faixa de desvio para o vermelho. Em contraste, o modelo $R_h = ct$ subestima sistematicamente $H(z)$ em desvios para o vermelho intermediários e altos ($z \gtrsim 1$).
• Parâmetro de Desaceleração: O modelo $\Lambda$CDM reproduz naturalmente a transição da desaceleração em tempos iniciais ($q > 0$) para a aceleração em tempos tardios ($q < 0$) em $z \approx 0.6$. O modelo $R_h = ct$ prevê uma expansão estritamente linear com $q(z) = 0$ em todos os desvios para o vermelho, falhando em capturar a transição observada para a aceleração.
• Consistência BAO: Embora ambos os modelos possam reproduzir as razões de distância do DESI DR2 BAO ($D_M/r_d$ e $D_H/r_d$) dentro das incertezas observacionais, o modelo $\Lambda$CDM exibe resíduos menores e distribuídos aleatoriamente. O modelo $R_h = ct$ mostra um padrão sistemático de desvio, particularmente no indicador $D_H(z)/r_d$.

Significado e Afirmações
O artigo afirma fornecer a primeira comparação estatística conjunta de $R_h = ct$ e $\Lambda$CDM utilizando os conjuntos de dados combinados CC + Pantheon+ + DESI DR2 dentro de uma estrutura bayesiana unificada. Os autores afirmam que seus resultados validam a confiabilidade das restrições do DESI DR2, CC e Pantheon+, uma vez que a idade derivada do $\Lambda$CDM se alinha com os resultados do CMB Planck 2018.

O estudo conclui que, embora o modelo $R_h = ct$ forneça um ajuste aceitável dentro dos limites estatísticos, ele é decisivamente desfavorecido em comparação com o $\Lambda$CDM devido à sua incapacidade de reproduzir a transição observada da desaceleração para a aceleração e ao seu desempenho inferior nas métricas de teoria da informação. Os autores observam que, embora o modelo padrão enfrente desafios teóricos (por exemplo, a natureza da energia escura e a tensão de Hubble), os dados observacionais atuais apoiam fortemente o paradigma $\Lambda$CDM como a descrição superior da história de expansão do Universo. O artigo reconhece que observações recentes do JWST de galáxias maduras em alto desvio para o vermelho e indícios do DESI de energia escura em evolução sugerem que o paradigma de concordância pode exigir refinamentos futuros, mas estes não validam atualmente a alternativa $R_h = ct$.