Constraints on the gravitational potential from DESI DR2 BAO and its implications for the local void scenario

Resumo Técnico: Restrições sobre o Potencial Gravitacional a partir do DESI DR2 BAO e suas Implicações para o Cenário do Vazio Local

Problema
O artigo aborda a "tensão de Hubble", uma discrepância significativa entre a taxa de expansão local ($H_0 \approx 73,5$ km/s/Mpc) e o valor inferido da Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB) sob a cosmologia padrão $\Lambda$CDM ($H_0 \approx 67,2$ km/s/Mpc). Uma resolução proposta é o cenário do "vazio local", sugerindo que residimos em uma subdensidade de grande escala (o vazio de Keenan-Barger-Cowie ou KBC). Neste modelo, a constante de Hubble observada localmente é inflada por dois mecanismos: velocidades de fluxo de saída peculiares e o Desvio para o Vermelho Gravitacional (GR) à medida que os fótons escalam a colina de potencial local. Enquanto as velocidades peculiares dominam em baixos redshifts, o GR torna-se o efeito dominante em redshifts mais altos ($z \gtrsim 0,5$), contribuindo com um termo de redshift adicional fixo $z_0$. Trabalhos anteriores (Haslbauer, Banik & Kroupa 2020, doravante HBK20) sugeriram um vazio capaz de resolver a tensão de Hubble implicaria $z_0 \approx 0,84\%$. No entanto, este modelo prevê efeitos de "transbordamento" (spillover) em altos redshifts, incluindo um CMB mais quente e um horizonte sonoro reduzido ($r_d$), o que não havia sido rigorosamente testado contra os dados de alta precisão mais recentes, especificamente as medições de Oscilações Acústicas de Bárions (BAO) do DESI Data Release 2 (DR2).

Metodologia
Os autores testam a hipótese do vazio local introduzindo um parâmetro $z_0$ que representa a altura adimensional da colina de potencial gravitacional local. Eles aproximam o redshift observado $z$ como $1+z = (1+z_c)(1+z_0)$, onde $z_c$ é o redshift cosmológico. Esta aproximação negligencia velocidades peculiares, o que é válido para $z \gtrsim 0,5$, onde as fontes estão além do vazio.

A análise utiliza um conjunto abrangente de dados, incluindo:

• Nucleossíntese do Big Bang (BBN): Restrições sobre a densidade bariônica.
• Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas (CMB): Verossimilhanças comprimidas de SPT-3G, Planck e ACT, contabilizando o efeito de um CMB mais quente ($T_{CMB} = T_{FIRAS}(1+z_0)$) na densidade física de bárions ($\omega_b$) e na densidade de matéria ($\omega_{bc}$).
• Cronômetros Cósmicos (CC): Medições da taxa de expansão $H(z)$.
• BAO: 13 medições do DESI DR2, analisadas em duas faixas de redshift: uma faixa "nominal" ($z > 0,5$) e uma faixa "estendida" ($z > 0,29$).

Os autores realizam análises de Cadeia de Markov Monte Carlo (MCMC) usando o algoritmo de amostragem aninhada dynesty. Eles variam os parâmetros cosmológicos ($\omega_b, \omega_{bc}, H_0, z_0$) e calculam a evidência Bayesiana. Crucialmente, eles recalculam o horizonte sonoro $r_d$ e a temperatura de recombinação $T_*$ para cada valor de $z_0$ usando o código CLASS, reconhecendo que um CMB mais quente implica menos expansão desde o desacoplamento, alterando assim a calibração das observáveis de BAO e CMB.

Contribuições Principais

1. Restrições Refinadas de Alto Redshift: O artigo fornece as primeiras restrições detalhadas sobre $z_0$ usando os dados de BAO do DESI DR2, indo além de estudos anteriores que fixavam parâmetros cosmológicos aos melhores ajustes de Planck sem considerar o impacto autossistente de $z_0$ no horizonte sonoro e na temperatura do CMB.
2. Quantificação de Efeitos de "Transbordamento": Os autores modelam explicitamente como um vazio local afeta as observáveis de alto redshift, demonstrando que um CMB mais quente leva a um $r_d$ reduzido e a um produto $H_0 r_d$ reduzido, que são estritamente restringidos pelo BAO.
3. Análise da Anomalia do BAO: O estudo quantifica a "anomalia do BAO" (a tensão entre os conjuntos de dados BAO e não-BAO no espaço de parâmetros $(H_0 r_d, \Omega_m)$) usando a métrica de tensão Máximo dos Dados e do Espaço de Parâmetros (MDPS). Eles comparam o desempenho do modelo de vazio local contra o $\Lambda$CDM padrão e soluções de fundo fenomenológicas.

Resultos

• Restrições sobre $z_0$: Combinando dados de BBN, CMB, BAO e CC, os autores encontram $z_0 = -0,4 \pm 0,9\%$ para a faixa nominal ($z > 0,5$) e $z_0 = 0,0^{+0,6}_{-0,7}\%$ para a faixa estendida ($z > 0,29$). Embora os dados prefiram ligeiramente $z_0 = 0$ (o $\Lambda$CDM padrão), o valor $z_0 = 0,84\%$ (previsto por HBK20) permanece dentro do intervalo de confiança de $2\sigma$.
• Ajuste do Modelo: O modelo de melhor ajuste com $z_0 = 0,84\%$ ajusta-se aos dados quase tão bem quanto o $\Lambda$CDM, com uma diferença no qui-quadrado ($\Delta \chi^2$) inferior a 2. A evidência Bayesiana desfavorece ligeiramente a adição de $z_0$ como um parâmetro livre, mas a diferença é pequena (perda de $\sim 0,5$ nats para $z_0=0,84\%$ fixo).
• Tensão do BAO: No espaço de parâmetros padrão $(H_0 r_d, \Omega_m)$, o $\Lambda$CDM enfrenta uma tensão de $2,81\sigma$ quando comparado com conjuntos de dados não-BAO (usando a faixa de redshift estendida). Fixar $z_0 = 0,84\%$ reduz esta tensão para $2,39\sigma$, trazendo-a para dentro da região de credibilidade de 99%. Esta redução ocorre porque o modelo do vazio local desloca as regiões de parâmetros preferidas para os conjuntos de dados BAO e não-BAO, reconciliando-os parcialmente.
• Espaço de Dados vs. Espaço de Parâmetros: Embora o modelo de vazio piore ligeiramente o ajuste no "espaço de dados" (previsão direta das medições do DESI), ele melhora a consistência no "espaço de parâmetros". A tensão MDPS (o máximo dos dois) é reduzida de $2,81\sigma$ no $\Lambda$CDM para $2,39\sigma$ no modelo de vazio.

Significância e Alegações
O artigo conclui que um vazio local grande o suficiente para resolver a tensão de Hubble (implicando $z_0 \approx 0,84\%$) não pode ser descartado pelos atuais conjuntos de dados de alto redshift, apesar do impacto inovador do modelo nas temperaturas do CMB e no horizonte sonoro. Embora os dados prefiram ligeiramente o valor $z_0 = 0$ do $\Lambda$CDM padrão, o modelo de vazio com $z_0 = 0,84\%$ fornece um ajuste aceitável para todos os conjuntos de dados (BBN, CMB, BAO, CC) e, notavelmente, atenua a tensão do espaço de parâmetros entre o BAO e outras sondas de alto redshift.

Os autores enfatizam que seus resultados não confirmam o cenário do vazio local, mas demonstram sua viabilidade contra restrições de alta precisão que anteriormente se pensava poderem excluí-lo. Eles sugerem que a "anomalia do BAO" observada no $\Lambda$CDM pode ser parcialmente mitigada pela hipótese do vazio local e que futuros lançamentos de dados (potencialmente revisando a medição de BAO em $z=0,7$) poderiam alinhar ainda mais o $z_0$ inferido com a previsão de $0,84\%$. O estudo motiva uma modelagem de baixo redshift mais detalhada que inclua fluxos de saída para avaliar plenamente a capacidade do cenário de vazio de resolver a tensão de Hubble.