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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.43.2024.tde-29022024-122517
Document
Author
Full name
Alexandra Turmina Petreca
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2024
Supervisor
Committee
Santos, Edivaldo Moura (President)
Quartin, Miguel Boavista
Sodre Junior, Laerte
Title in English
The impact of systematic effects on the cosmic distance ladder
Keywords in English
the cosmic distance ladder
the f(z)CDM approach
the Hubble tension
Abstract in English
The main objective of this work is to analyze possible residual systematic effects associated with the determination of the Hubble constant ($H_0$). This is done by investigating the problem from an experimental point of view, through analysis and modeling of real and synthetic data used as input for the cosmic distance ladder method, and from a theoretical point of view, proposing a new model for the background evolution of the Universe. In the data analysis and modeling part, synthetic data samples were generated capturing all the important features of real data coming from cepheids and type Ia supernovae (SNeIa) made available by SH0ES and Pantheon+ teams. Systematic errors were added to these samples in order to check their impact on several parameters of the cosmic distance ladder, especially on $H_0$. We verified claims in the literature that order 0.5\% biases on apparent magnitudes of \ac are enough to shift $H_0$ by a few $\si{\kilo \meter \per \second \per \mega \parsec}$, as long as they are not uniform across the second and third rungs of the ladder, that is, the calibration and Hubble flow samples. On the other hand, we show that $H_0$ and the absolute magnitudes of cepheids and supernovae are strongly protected against biases affecting cepheids metallicities. We also studied, using real and synthetic datasets, the impact on the distance ladder parameters of different SNeIa color correction models. Particular attention was given to a model where SNeIa from the calibration and the Hubble flow samples have different color slopes, as this effect has been recently claimed to solve the so called Hubble tension. Our results regarding such a color slope effect are inconclusive so far, but further studies are planned. Finally, a hybrid approach combining the standard cosmological model and cosmography was proposed to determine $H_0$. Three orders of the so called Padé series ($P_$, $P_$ and $P_$) were used to parameterize the dark energy density contribution to the background evolution. The constraints on the cosmological parameters were made using CosmoMC, with data from CMB, baryonic acoustic oscillations, cosmic clocks and type Ia supernovae. The values of $H_0$ obtained with this hybrid approach are consistent with the one obtained from the CMB anisotropies assuming a spatially-flat ΛCDM cosmology.
Title in Portuguese
O impacto de efeitos sistemáticos sobre a escada de distâncias cósmicas
Keywords in Portuguese
abordagem f(z)CDM
escada de distâncias cósmicas
tensão de Hubble
Abstract in Portuguese
O objetivo principal do presente trabalho é analisar possíveis erros sistemáticos residuais associados à determinação da constante de Hubble ($H_0$). Isso é feito investigando o problema do ponto de vista experimental, através da análise e modelagem dos dados (reais e sintéticos) utilizados como entrada no método de escada de distâncias cósmicas, e do ponto de vista teórico, propondo um novo modelo para evolução de {\it background} do Universo. Na parte de análise e modelagem dos dados, amostras sintéticas foram geradas levando em consideração todas as características importantes dos dados reais de cefeidas e supernovas do tipo Ia disponibilizados pelas equipes SH0ES e Pantheon+. Erros sistemáticos foram adicionados a essas amostras com o intuito de verificar os seus impactos em vários parâmetros da escada de distâncias cósmicas, especialmente em $H_0$. Verificamos afirmações da literatura de que desvios da ordem de 0.5\% nas magnitudes aparentes das supernovas são suficientes para deslocar $H_0$ em alguns $\si{\kilo \meter \per \second \per \mega \parsec}$, desde que os desvios não sejam uniformes ao longo do segundo e terceiro degrau da escada de distância, ou seja, as amostras de calibração e do fluxo de Hubble. Por outro lado, mostramos que $H_0$ e as magnitudes absolutas das cefeidas e supernovas estão fortemente protegidas contra os enviesamentos que afetam as metalicidades das cefeidas. Estudamos também o impacto de diferentes modelos de correção de cor das supernovas nos parâmetros da escada de distância. Foi dada particular atenção a um modelo em que as supernovas das amostras de calibração e do fluxo de Hubble têm diferentes inclinações de cor, uma vez que este efeito foi recentemente proposto para resolver a chamada tensão de Hubble. Os nossos resultados relativos a este efeito de inclinação de cor são inconclusivos até o momento, mas estão sendo planejados novos estudos sobre o tema. Finalmente, foi proposta uma abordagem híbrida que combina o modelo cosmológico padrão e a cosmografia para determinar $H_0$. Três ordens das chamadas séries de Padé ($P_$, $P_$ e $P_$) foram utilizadas para parametrizar a contribuição da energia escura para a evolução de {\it background}. As restrições dos parâmetros cosmológicos foram feitas através do CosmoMC, com dados da radiação cósmica de fundo (RCF), oscilações acústicas bariônicas, relógios cósmicos e supernovas do tipo Ia. Os valores de $H_0$ resultantes dessa abordagem híbrida são consistentes com o valor obtido via anisotropias da RCF em uma cosmologia do tipo ΛCDM espacialmente plana.
 
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Publishing Date
2024-04-11
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • A. Turmina Petreca, M. Benetti, S. Capozziello, Beyond ΛCDM with f(z)CDM: Criticalities and solutions of Padé Cosmography, Physics of the Dark Universe, Volume 44, 2024, 101453, ISSN 2212-6864.
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