A sound-horizon-free measurement of the Hubble constant from DESI DR2 baryon acoustic oscillations using artificial neural networks

Resumo Técnico: Medição da Constante de Hubble Livre do Horizonte de Som usando Redes Neurais Artificiais (DESI DR2 BAO)

1. O Problema: A Tensão de Hubble ($H_0$)

O artigo aborda o problema mais fundamental da cosmologia moderna: a Tensão de Hubble. Existe uma discrepância estatística significativa entre os valores de $H_0$ (a taxa de expansão atual do universo) medidos por dois métodos distintos:

• Universo Primordial (Early Universe): Medições baseadas na Radiação Cósmica de Fundo (CMB) pelo satélite Planck, que favorecem valores baixos ($H_0 \approx 67.4 \text{ km s}^{-1}\text{ Mpc}^{-1}$), mas dependem fortemente do modelo padrão $\Lambda$CDM.
• Universo Local (Late Universe): Medições baseadas na "escada de distâncias" (como o método SH0ES usando Cefeidas e Supernovas Tipo Ia), que favorecem valores altos ($H_0 \approx 73.0 \text{ km s}^{-1}\text{ Mpc}^{-1}$), mas dependem de calibrações de luminosidade absoluta.

O objetivo deste trabalho é fornecer uma medição de $H_0$ que seja totalmente independente de modelos (model-independent) e que evite tanto a dependência do modelo $\Lambda$CDM quanto a necessidade de calibrar o horizonte de som ($r_d$) ou a luminosidade absoluta das Supernovas (SNe Ia).

2. Metodologia

Os autores utilizam uma abordagem baseada na Relação de Dualidade de Distância (DDR), que é válida em qualquer teoria métrica da gravidade. A estratégia consiste em combinar três sondas observacionais complementares:

1. Supernovas Tipo Ia (SNe Ia - Pantheon+): Fornecem a distância de luminosidade não ancorada ($\Xi_{\text{SNIa}}(z) = H_0 d_L(z)$).
2. Cronômetros Cósmicos (CC): Fornecem o parâmetro de Hubble direto $H(z)$ através da evolução da idade de galáxias passivamente evolutivas.
3. Oscilações Acústicas de Bárions (BAO - DESI DR2): Utilizam os dados mais recentes do Dark Energy Spectroscopic Instrument (Data Release 2). O diferencial é o uso de uma combinação livre do horizonte de som: $\Xi_{\text{BAO}}(z) = H(z) d_A(z)$, obtida pela razão entre a distância comóvel transversal ($D_M/r_d$) e o horizonte de Hubble ($D_H/r_d$), onde o termo $r_d$ se cancela matematicamente.

Inovação no Processamento: Redes Neurais Artificiais (ANN)
Em vez de usar Processos Gaussianos (GP), os autores utilizam o método de reconstrução por Redes Neurais Artificiais com uma abordagem de bootstrap.

• Arquitetura: Uma rede com uma camada oculta de 4.096 neurônios e função de ativação ELU.
• Vantagem: A ANN é puramente orientada por dados (data-driven), não assumindo uma forma funcional prévia para as funções reconstruídas, o que minimiza vieses de modelos teóricos.
• Incerteza: Utilizam 1.000 realizações de bootstrap para propagar as incertezas observacionais de forma robusta através da rede não linear.

3. Principais Contribuições

• Independência de Calibração: O método elimina a necessidade de conhecer a escala do horizonte de som ($r_d$) e a magnitude absoluta das SNe Ia.
• Uso de Dados de Ponta: Aplicação inédita dos dados do DESI DR2, que inclui novos traçadores (ELG1 e QSO), aumentando a precisão em comparação com o DR1.
• Abordagem Não Paramétrica: A substituição da regressão por Processos Gaussianos pela reconstrução via ANN oferece um método mais flexível e menos dependente de funções de média fiduciais.

4. Resultados

A partir da combinação das sete sondas de BAO do DESI DR2, os autores obtiveram:

• Valor de $H_0$ (Conjunto): $H_0 = 71.5 \pm 2.2 \text{ km s}^{-1}\text{ Mpc}^{-1}$ (ao nível de confiança de 68%).
• Consistência: Este valor é consistente com as medições de TRGB (Tip of the Red Giant Branch) e SH0ES dentro de $0.6\sigma$.
• Tensão com Planck: O resultado apresenta uma tensão de aproximadamente $2\sigma$ em relação aos dados do Planck (CMB), que preferem valores menores.

5. Significância

O trabalho é altamente significativo porque fornece um suporte independente e robusto para a realidade da Tensão de Hubble. Ao obter um valor de $H_0$ mais elevado utilizando um método que não depende de modelos cosmológicos nem de calibrações de distância tradicionais, os autores reforçam a ideia de que a discrepância entre o universo primordial e o local não é apenas um erro sistemático de calibração ou uma falha do modelo $\Lambda$CDM, mas possivelmente uma indicação de nova física.