Reanalyzing Megamasers: a low value of $H_0$ from a local probe changes our view of the Hubble Tension

技术摘要：通过巨类星系质子运动重建发现的低 $H_0$ 值与距离阶梯存在冲突

问题陈述
“哈勃张力”（Hubble tension）代表了由宇宙微波背景（CMB）推导出的哈勃常数（$H_0$）（$67.4 \pm 0.5$ km/s/Mpc）与由局部距离阶梯推导出的 $H_0$（$73.5 \pm 0.81$ km/s/Mpc）之间的显著差异。要解决这一张力究竟源于新物理学还是距离阶梯的系统误差，一个关键的证据是利用巨类星系质子运动（megamasers）进行的独立 $H_0$ 测量。巨类星系距离是几何型的，不依赖于传统的距离阶梯。此前，Pesce 等人 (2020) (P20) 分析了巨类星系数据，并发现其 $H_0$ 值与距离阶梯一致，且与 CMB 存在张力。然而，P20 将质子运动主要建模为随机高斯噪声。这种方法未能考虑到相干体流（coherent bulk flows）以及由非线性结构塌缩引起的速度分布中的非高斯尾部，这可能在红移修正中引入系统偏差。

方法论
本研究重新分析了 P20 中的六个星系巨类星系样本，重点在于使用更优的速度场重建来修正观测到的红移。

1. 速度重建： 不同于将质子运动视为高斯噪声，作者利用了 M25 重建（McAlpine 等人 2022）。与之前的 C15 重建（Carrick 等人 2015）不同，M25 结合了 2M++ 红移巡天与约束宇宙学模拟。这使得 M25 能够在较小尺度上解析速度场，并更准确地捕捉非线性星系运动。
2. 数据修正： 作者对六个巨类星系样本应用了 C15 和 M25 两种质子运动修正。作者指出，在 M25 重建中，所有六个星系都表现出正向的质子运动，其中三个最远的星系参与了一个大规模的相干流出过程。
3. 似然分析： 作者在假设平坦 $\Lambda$CDM 宇宙学模型（固定物质密度 $\Omega_m = 0.3$）的前提下拟合了距离-红移关系。似然函数通过最小化测量距离与模型距离之间的差异来进行计算。
4. 不确定性建模： 一个关键的方法论改进是对速度重建不确定性（$\sigma_v$）的处理。作者将 $\sigma_v$ 以平方和的形式加入到距离测量的不确定性中。他们探索了两种方法：
   • 将 $\sigma_v$ 固定在不同数值（0 到 150 km/s）。
   • 将 $\sigma_v$ 视为具有均匀先验的自由模型参数，利用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）对其进行边缘化处理。

核心贡献

• 识别偏差： 本文证明了将质子运动建模为高斯噪声（如 P20 所做）无法捕捉相干流和非高斯离群值。在巨类星系样本的具体案例中，正向的质子运动系统性地降低了修正后的红移，从而导致了对 $H_0$ 的高估。
• 更优的重建： 研究表明，通过整合宇宙学模拟，M25 重建比 C15 方法或简单的高斯噪声模型能提供更准确的质子运动修正。
• $H_0$ 的重新评估： 通过应用 M25 重建，作者得出的新 $H_0$ 估计值显著偏离了距离阶梯的值，并向 CMB 的值靠拢。

结果

• C15 vs. M25： 使用 $\sigma_v = 150$ km/s 的 C15 重建得到 $H_0 = 71.5 \pm 2.6$ km/s/Mpc，这与 P20 的结果一致。使用相同的 $\sigma_v$ 及 M25 重建，得到的 $H_0$ 较低，为 $69.7 \pm 2.6$ km/s/Mpc。
• 对 $\sigma_v$ 的敏感性： 估计的 $H_0$ 对假设的速度不确定性非常敏感。随着 $\sigma_v$ 的减小（即增加对具有精确距离测量值的星系如 NGC 4258 的权重），估计的 $H_0$ 会随之下降。当 $\sigma_v = 0$ 时，$H_0 = 68.4 \pm 0.9$ km/s/Mpc。
• 边缘化结果： 当将 $\sigma_v$ 视为自由参数并对其进行边缘化处理（上限为 150 km/s）时，经 M25 修正的数据得到的最大似然 $H_0$ 为 $68.7$ km/s/Mpc。
• 统计张力： 计算得出 M25 推导出的 $H_0$ 大于或等于距离阶梯值（$73.5$ km/s/Mpc）的概率为 $P(> H_{DL}) = 0.029$ (2.9%)。这表明使用 M25 的巨类星系结果与距离阶梯之间存在大于 $2\sigma$ 的张力，而该结果与 CMB 是一致的。

意义与主张
作者认为，哈勃张力很可能是由距离阶梯内部的系统误差驱动的，而非源于新物理学。他们主张，此前巨类星系数据与距离阶梯的一致性是由于质子运动修正存在偏差而产生的伪象。通过使用能够捕捉相干流和非高斯运动的高分辨率速度重建，基于 M25 的巨类星系 $H_0$ 与 CMB 一致，并与距离阶梯相冲突。

本文结论如下：

1. 巨类星系仍然是距离阶梯重要的独立校验手段，尽管需要更多的数据和改进的距离估计方法才能得出定论。
2. 质子运动是低红移 $H_0$ 测定的重要偏差来源，必须进行准确的局部速度重建。
3. 这种差异表明，距离阶梯在其校准过程中需要进一步审查潜在的系统误差。