DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae40bf
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Helena García Escudero وآخرون
الموضوع الرئيسي: الفيزياء الفلكية والظواهر الكونية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتحديد ثابت هابل، \( H_0 \)، دون الاعتماد على أفق الصوت. تدمج الدراسة بيانات تذبذبات الصوت الباريونية (BAO) من إصدار بيانات أداة الطاقة المظلمة الطيفية (DESI) مع قياسات عدسات الخلفية الكونية الميكروية (CMB) من بلانك وACT وSPT-3G، جنبًا إلى جنب مع بيانات إضافية من عدسات المجرات الضعيفة وارتباطات التجمعات، وعينة سوبرنوفا بانثيون+. من خلال اعتبار أفق الصوت في عصر السحب، \( r_d \)، كمعامل حر، نجح المؤلفون في كسر التداخل بين \( r_d – H_0 \)، مما أسفر عن قيمة \( H_0 = 70.0 \pm 1.7 \, \text{كم/ثانية/مفك} \) مع مجموع ثابت لكتل النيوترينو \( \Sigma m_\nu = 0.06 \, \text{eV} \).
تقوم التحليلات الإضافية مع فرضية على سعة التذبذبات البدائية، \( A_s \)، بتحسين هذه التقديرات إلى \( H_0 = 70.03 \pm 0.97 \, \text{كم/ثانية/مفك} \). تسلط الدراسة الضوء على حساسية \( H_0 \) المستنتجة لاختيار الفرضية على \( \Sigma m_\nu \)، مشيرة إلى أن فرضية موحدة تميل إلى إنتاج كتل نيوترينو أكبر و\( H_0 \) أعلى، بينما تخفف فرضية لوغاريتمية من هذا التحيز. تشير التوقعات المستقبلية لبرنامج BAO المكتمل من DESI، بالتزامن مع عدسات CMB ومجموعات بيانات سوبرنوفا المحسنة، إلى احتمال وجود عدم يقين قدره \( \sigma(H_0) \approx 0.67 \, \text{كم/ثانية/مفك} \) مع ثبات \( \Sigma m_\nu \)، و\( \sigma(H_0) \approx 1.1 \, \text{كم/ثانية/مفك} \) عند السماح بتغيير \( \Sigma m_\nu \).
مقدمة
تحديد ثابت هابل، \( H_0 \)، لا يزال هدفًا حاسمًا ولكنه صعب في علم الكون، خاصة بسبب التباين بين القيم المستمدة من منهجيات مختلفة. تشير قياسات قمر بلانك الصناعي إلى \( H_0 = 67.36 \pm 0.54 \, \text{كم/ثانية/مفك} \) بناءً على نموذج \(\Lambda\)CDM القياسي، بينما تشير قياسات سلم المسافة المعتمدة على السيفيد إلى \( H_0 = 73.04 \pm 1.04 \, \text{كم/ثانية/مفك} \). تتناول هذه الورقة هذا التوتر من خلال استكشاف طرق لا تعتمد على أفق الصوت \( r_d \)، وهو أمر حاسم لاستخراج المعلمات الكونية من تحليلات الخلفية الكونية الميكروية (CMB).
يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا يجمع بين قياسات تذبذبات الصوت الباريونية (BAO) غير المعايرة مع بيانات CMB وبيانات عدسات المجرات لاشتقاق قياس خالٍ من أفق الصوت لـ \( H_0 \). من خلال اعتبار \( r_d \) كمعامل حر، يحققون \( H_0 = 70.0 \pm 1.7 \, \text{كم/ثانية/مفك} \) مع ثبات \( \Sigma m_\nu \) عند قيمته الدنيا 0.06 eV. عند السماح بتغيير \( \Sigma m_\nu \)، يجدون \( H_0 = 75.3^{+3.3}_{-4.0} \, \text{كم/ثانية/مفك} \) و\( \Sigma m_\nu < 1.11 \, \text{eV} \) (95% CL). من المتوقع أن تؤدي الملاحظات المستقبلية، وخاصة من مرصد سيمونز، إلى تحسين هذه القياسات، مما قد يحقق دقة تبلغ حوالي \( 0.67 \, \text{كم/ثانية/مفك} \) إذا تم تثبيت \( \Sigma m_\nu \). توضح الورقة هيكلها، موضحة المنهجية والنتائج في الأقسام التالية.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون منهجيتهم لإنشاء مجموعات بيانات وهمية لملاحظات تذبذبات الصوت الباريونية (BAO) وسوبرنوفا من النوع Ia (SN Ia) في المستقبل. بالنسبة لمجموعة بيانات BAO، يقومون بإنشاء بيانات وهمية للمتغيرات \(D_M/r_d\)، \(D_H/r_d\)، و\(D_V/r_d\) بناءً على نموذج افتراضي والتباين من بيانات DESI DR2، المخفضة بعامل 2. يهدف هذا النهج إلى محاكاة بيانات BAO المتوقعة من برنامج DESI الكامل، الذي سيغطي حجمًا أكبر من إصدار DR2. تتكون التقديرات الوهمية لـ BAO من 13 نقطة بيانات عبر 7 انزياحات فعالة، مما يسهل التوافق مع احتمالية BAO من Cobaya DESI DR2.
بالنسبة لمجموعة بيانات SN Ia، يستخدم المؤلفون عينة بانثيون+ كنموذج، ويحسبون معامل المسافة النظري \(\mu_{\text{th}}(z)\) عند انزياحات مختلفة باستخدام CAMB مع معلمات بلانك \(\Lambda\)CDM. يقومون بإنشاء بيانات وهمية من خلال إدخال ضوضاء غاوسية، مع تقليل عدم اليقين بعامل 2.5، محاكين عينة “نهائية” من SN متوقعة من المسوحات المستقبلية مثل Vera Rubin LSST وEuclid. يتم تجميع بيانات SN الوهمية في 40 مجموعة انزياح باستخدام مخطط إشغال متساوي لضمان التناسق الإحصائي. كما يقوم المؤلفون بالتحقق من نهجهم باستخدام مخطط تجميع بديل ويقدرون مصفوفة التباين من 796 تحقيقًا مستقلًا، ويطبقون عامل هارتلاب لتصحيح التحيزات. تحتفظ احتمالية SN الوهمية الناتجة بالخصائص الإحصائية لمجموعة بيانات بانثيون+ بينما تعزز القدرة على القياس للتحليلات المستقبلية.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج تحليلهم بشأن قيود المعلمات غير المعتمدة على \( r_d \) المستمدة من البيانات الرصدية الحالية، جنبًا إلى جنب مع التوقعات للقياسات المستقبلية. تم تجميع النتائج لكل من التحليلات الثابتة والمتغيرة لـ Σmν في الجداول 2 و3، مع توضيح المعلمات الرئيسية في الأشكال 3 و5. يتم تقييم الاختبارات غير المعتمدة على \( r_d \) مقابل نموذج ΛCDM القياسي، باستخدام مجموعة بيانات شاملة تشمل بيانات DESI2 BAO وPP SN وبيانات DES السنة الثالثة، المدمجة مع طيف CMB من احتمالية NPIPE CamSpec عالية \( ℓ \)، وPR3 منخفضة \( ℓ \) TT وEE، وقياسات عدسات CMB من بلانك وACT وSPT-3G.
يشير المؤلفون إلى أن مجموعة بيانات DESI2 وθ⋆ وAPS-L تُعتبر مجموعة البيانات “الأساسية”، والتي تعمل كمرجع لتحليلهم. تم حساب المعامل المستمد \( r_d \) باستخدام الروتين القياسي لإعادة التركيب في CAMB، مما يبرز أهميته في سياق مقارنات النموذج الكوني الأوسع.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تداعيات استخدام تذبذبات الصوت الباريونية (BAO) كمسطرة معيارية للقياسات الكونية، مع التركيز بشكل خاص على أفق الصوت \( r_d \) كمعامل حر. يبرزون أن متغيرات BAO، بما في ذلك مقياس BAO العرضي \( \beta_\perp(z) \)، توفر قيودًا على نسبة كثافة المادة \( \Omega_m \) ومنتج \( r_d h \)، حيث \( h \) هو معامل هابل غير البعدي. لفك التداخل بين \( r_d \) و\( h \)، يقترح المؤلفون دمج قيود إضافية، مثل تلك الناتجة عن عدسات الخلفية الكونية الميكروية (CMB)، والتي تكون حساسة لمقياس تساوي المادة والإشعاع. يسمح هذا النهج بتحديد أكثر موثوقية للمعلمات الكونية، بما في ذلك \( H_0 \)، مع اعتبار \( r_d \) كمتغير حر.
كما يفحص المؤلفون آثار النيوترينوات الضخمة على المعلمات الكونية، مشيرين إلى أن النيوترينوات تساهم في كثافة الإشعاع في الأوقات المبكرة وتخفف من نمو الهيكل على المقاييس الصغيرة. تؤدي هذه التخفيفات إلى تغيير طيف قوة المادة، وبالتالي، طيف تقارب عدسات CMB، الذي يمكن استخدامه لتقييد مجموع كتل النيوترينو \( \Sigma m_\nu \). يؤكدون على أهمية دمج مجموعات بيانات رصدية مختلفة، مثل تجمعات المجرات وعدسات الضعيفة، لتعزيز الحساسية لـ \( \Sigma m_\nu \) وتحسين القيود العامة على المعلمات الكونية. يبرز التفاعل بين هذه المعلمات، وخاصة العلاقة الإيجابية بين \( \Sigma m_\nu \) و\( H_0 \)، تعقيد تداخل المعلمات في نموذج ΛCDM وضرورة القياسات الدقيقة لحلها.
DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae40bf
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Helena García Escudero et al.
Primary Topic: Astrophysics and Cosmic Phenomena
Overview
This research presents a novel approach to determining the Hubble constant, \( H_0 \), without relying on the sound horizon. The study integrates baryon acoustic oscillation (BAO) data from the Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) Data Release 2 with cosmic microwave background (CMB) lensing measurements from Planck, ACT, and SPT-3G, alongside additional data from galaxy weak lensing and clustering correlations, and the Pantheon+ supernova sample. By treating the sound horizon at the drag epoch, \( r_d \), as a free parameter, the authors successfully break the \( r_d – H_0 \) degeneracy, yielding a value of \( H_0 = 70.0 \pm 1.7 \, \text{km/s/Mpc} \) with a fixed sum of neutrino masses \( \Sigma m_\nu = 0.06 \, \text{eV} \).
Further analysis with a prior on the amplitude of primordial fluctuations, \( A_s \), refines this estimate to \( H_0 = 70.03 \pm 0.97 \, \text{km/s/Mpc} \). The study highlights the sensitivity of the inferred \( H_0 \) to the choice of prior on \( \Sigma m_\nu \), noting that a uniform prior tends to yield larger neutrino masses and higher \( H_0 \), while a logarithmic prior mitigates this bias. Future projections for the completed DESI BAO program, in conjunction with CMB lensing and enhanced supernova datasets, suggest a potential uncertainty of \( \sigma(H_0) \approx 0.67 \, \text{km/s/Mpc} \) with fixed \( \Sigma m_\nu \), and \( \sigma(H_0) \approx 1.1 \, \text{km/s/Mpc} \) when allowing \( \Sigma m_\nu \) to vary.
Introduction
The determination of the Hubble constant, \( H_0 \), remains a critical yet challenging objective in cosmology, particularly due to the discrepancy between the values derived from different methodologies. The Planck satellite measurements yield \( H_0 = 67.36 \pm 0.54 \, \text{km/s/Mpc} \) based on the standard \(\Lambda\)CDM model, while Cepheid-based distance ladder measurements indicate \( H_0 = 73.04 \pm 1.04 \, \text{km/s/Mpc} \). This paper addresses this tension by exploring methods that do not depend on the sound horizon \( r_d \), which is crucial for extracting cosmological parameters from cosmic microwave background (CMB) analyses.
The authors propose a novel approach that combines uncalibrated baryon acoustic oscillation (BAO) measurements with CMB and galaxy lensing data to derive a sound-horizon-free measurement of \( H_0 \). By treating \( r_d \) as a free parameter, they achieve \( H_0 = 70.0 \pm 1.7 \, \text{km/s/Mpc} \) with \( \Sigma m_\nu \) fixed at its minimal value of 0.06 eV. When allowing \( \Sigma m_\nu \) to vary, they find \( H_0 = 75.3^{+3.3}_{-4.0} \, \text{km/s/Mpc} \) and \( \Sigma m_\nu < 1.11 \, \text{eV} \) (95% CL). Future observations, particularly from the Simons Observatory, are expected to further refine these measurements, potentially achieving a precision of approximately \( 0.67 \, \text{km/s/Mpc} \) if \( \Sigma m_\nu \) is fixed. The paper outlines its structure, detailing the methodology and findings in subsequent sections.
Methods
In this section, the authors describe their methodology for generating mock datasets for future Baryon Acoustic Oscillation (BAO) and Type Ia Supernova (SN Ia) observations. For the BAO dataset, they create mock data for observables \(D_M/r_d\), \(D_H/r_d\), and \(D_V/r_d\) based on a fiducial model and the covariance from the DESI DR2 data, reduced by a factor of 2. This approach aims to simulate the anticipated BAO data from the complete DESI program, which will cover a larger volume than the DR2 release. The mock BAO estimates consist of 13 data points across 7 effective redshifts, facilitating compatibility with the Cobaya DESI DR2 BAO likelihood.
For the SN Ia dataset, the authors utilize the Pantheon+ sample as a template, calculating the theoretical distance modulus \(\mu_{\text{th}}(z)\) at various redshifts using CAMB with Planck \(\Lambda\)CDM parameters. They generate mock data by introducing Gaussian noise, with uncertainties reduced by a factor of 2.5, simulating an “ultimate” SN sample expected from future surveys like Vera Rubin LSST and Euclid. The mock SN data is binned into 40 redshift bins using an equal-occupancy scheme to ensure statistical consistency. The authors also validate their approach with an alternative binning scheme and estimate the covariance matrix from 796 independent realizations, applying the Hartlap factor to correct for biases. The resulting mock SN likelihood retains the statistical properties of the Pantheon+ dataset while enhancing constraining power for future analyses.
Results
In this section, the authors present the results of their analysis regarding the $r_d$-agnostic parameter constraints derived from current observational data, alongside forecasts for future measurements. The findings for both fixed and varying Σmν analyses are compiled in Tables 2 and 3, with key parameter posteriors illustrated in Figures 3 and 5. The $r_d$-agnostic tests are evaluated against the standard ΛCDM model, utilizing a comprehensive dataset that includes the DESI2 BAO, PP SN, and DES Year-3 data, integrated with CMB spectra from the NPIPE CamSpec high-ℓ likelihood, PR3 low-ℓ TT and EE, and CMB lensing measurements from Planck, ACT, and SPT-3G.
The authors denote the combination of DESI2, θ⋆, and APS-L as the “Base” dataset, which serves as a reference for their analysis. The derived parameter $r_d$ was computed using the standard recombination routine in CAMB, highlighting its significance in the context of the broader cosmological model comparisons.
Discussion
In this section, the authors discuss the implications of using baryon acoustic oscillations (BAO) as a standard ruler for cosmological measurements, particularly focusing on the sound horizon $r_d$ as a free parameter. They highlight that BAO observables, including the transverse BAO scale $\beta_\perp(z)$, provide constraints on the matter density fraction $\Omega_m$ and the product $r_d h$, where $h$ is the dimensionless Hubble parameter. To disentangle the degeneracy between $r_d$ and $h$, the authors propose incorporating additional constraints, such as those from cosmic microwave background (CMB) lensing, which is sensitive to the matter-radiation equality scale. This approach allows for a more robust determination of cosmological parameters, including $H_0$, while treating $r_d$ as a free variable.
The authors also examine the effects of massive neutrinos on cosmological parameters, noting that neutrinos contribute to the radiation density at early times and suppress the growth of structure on small scales. This suppression alters the matter power spectrum and, consequently, the CMB lensing convergence spectrum, which can be used to constrain the sum of neutrino masses $\Sigma m_\nu$. They emphasize the importance of combining different observational datasets, such as galaxy clustering and weak lensing, to enhance the sensitivity to $\Sigma m_\nu$ and improve the overall constraints on cosmological parameters. The interplay between these parameters, particularly the positive correlation between $\Sigma m_\nu$ and $H_0$, underscores the complexity of parameter degeneracies in the ΛCDM model and the necessity for precise measurements to resolve them.