First measurement of the Hubble constant from a combined weak lensing and gravitational-wave standard siren analysis

Resumo Técnico: Primeira Medição da Constante de Hubble a partir de uma Análise Combinada de Lente Gravitacional Fraca e Sirenes Padrão de Ondas Gravitacionais

Declaração do Problema
A medição da constante de Hubble ($H_0$) permanece um desafio empírico central na cosmologia, caracterizado por uma tensão significativa ($\gtrsim 5\sigma$) entre os valores inferidos a partir de dados do fundo cósmico de micro-ondas (CMB) do Universo primordial sob a suposição do $\Lambda$CDM e medições diretas do Universo tardio utilizando a escada de distâncias cósmicas (por exemplo, supernovas do Tipo Ia). Embora numerosas análises tenham tentado reconciliar essas discrepâncias identificando efeitos sistemáticos, o problema persiste. Este trabalho aborda a necessidade de abordagens independentes e de múltiplos mensageiros que não dependam da escada de distâncias cósmicas para restringir $H_0$.

Metodologia
Os autores apresentam uma análise cosmológica conjunta combinando dois quadros observacionais distintos:

1. Análise 3$\times$2pt (Lente Gravitacional Fraca & Agrupamento de Galáxias): Utilizando dados do lançamento do Ano 3 (Y3) do Inquérito de Energia Escura (DES), o estudo emprega três funções de correlação de dois pontos (2PCFs): cisalhamento cósmico (cisalhamento-cisalhamento), agrupamento de galáxias (galáxia-galáxia) e a correlação cruzada de cisalhamento e posição de galáxias (galáxia-cisalhamento). Este quadro restringe a abundância de matéria ($\Omega_m$) e a amplitude das flutuações de densidade de matéria. A análise incorpora formas de galáxias-fonte (aproximadamente 100 milhões de galáxias em quatro bins de redshift) e galáxias-lente (amostra MagLim, 10,7 milhões de galáxias em seis bins de redshift), contabilizando efeitos sistemáticos como viés de galáxia, alinhamento intrínseco e calibração de redshift.
2. Análise de Sirenes Padrão: O estudo integra dados do Catálogo de Transientes de Ondas Gravitacionais 4.0 (GWTC-4.0) lançado pela Colaboração LIGO-Virgo-KAGRA (LVK).
   • Sirenes Espectrais: Para 141 eventos de coalescência de binários compactos (CBC), a informação de redshift é derivada exclusivamente do espectro de massa da população binária usando inferência hierárquica bayesiana, evitando a dependência de catálogos de galáxias para prevenir erros sistemáticos de covariância.
   • Sirene Brilhante (GW170817): Para o único evento com uma contraparte eletromagnética (EM) confirmada, a análise incorpora o redshift da galáxia hospedeira (NGC 4993) e, crucialmente, restrições do ângulo de inclinação derivadas de observações de jatos superluminais. O ângulo de inclinação ($15^\circ < \theta_{jet} < 29^\circ$) é usado como um prior externo para refinar a estimativa da distância de luminosidade ($d_L$).

Inferência Cosmológica
Os autores combinam distribuições posteriores da análise 3$\times$2pt do DES Y3 e da análise de sirenes padrão do LVK (141 sirenes espectrais + 1 sirene brilhante). Assumindo independência entre os conjuntos de dados, eles utilizam um método de fluxo de normalização (implementado em tensiometer) para fundir as posteriors. A análise marginaliza sobre parâmetros de incômodo enquanto infere os parâmetros cosmológicos $s_c = \{H_0, \Omega_m\}$, adotando priors amplos ($H_0 \in [10, 200]$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, $\Omega_m \in [0, 1]$) para atender aos requisitos da análise de sirenes espectrais.

Resultados Principais

• Medição Combinada: A análise conjunta produz uma constante de Hubble de $H_0 = 67.9^{+4.4}_{-4.3}$ km s$^{-1}$ Mpc$^{-1}$, representando uma medição com precisão de 6,4%.
• Impacto da Informação de Jatos: A inclusão do ângulo de inclinação do jato para GW170817 é crítica. A remoção dessa informação degrada a precisão apenas de sirenes padrão para 15% e a precisão combinada para 9,9%.
• Poder de Restrição sobre $\Omega_m$: Embora o componente de sirenes padrão sozinho não forneça uma restrição significativa sobre $\Omega_m$, a combinação com 3$\times$2pt melhora a precisão da medição da abundância total de matéria em 22% (de 11% para 8,2%) em relação à análise de referência do DES Y3.
• Consistência: As posteriors de $H_0$ dos componentes 3$\times$2pt e de sirenes padrão mostram-se em bom acordo, com uma distância de 0,78$\sigma$ entre suas medianas.

Significado e Alegações
O artigo alega apresentar a primeira medição da constante de Hubble resultante de uma análise conjunta de sirenes padrão e observáveis de lente gravitacional fraca/agrupamento de galáxias. Os autores demonstram que incorporar sirenes padrão no quadro de cosmologia de múltiplas sondas de grandes inquéritos cósmicos é uma rota viável para restringir $H_0$ sem depender da escada de distâncias cósmicas.

O estudo destaca que essa abordagem combinada oferece um caminho complementar para resolver a tensão em $H_0$. Os autores observam que, com novos lançamentos de dados iminentes do DES e do LVK, e com o poder de restrição antecipado de futuros observáveis 3$\times$2pt de instrumentos recém-comissionados, esta metodologia representa uma via promissora para alcançar precisão do nível percentual em $H_0$ e avançar o campo da cosmologia. Os resultados sugerem que as sirenes padrão possuem poder de restrição suficiente para ser informativo quando combinadas com sondas tradicionais de estrutura em grande escala, de forma semelhante ao papel desempenhado pelo CMB, SNe Ia ou oscilações acústicas de bárions.