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Informações sobre modelo Lambda-CDM e outros

 1 - https://academic.oup.com/mnrasl/article/537/1/L55/7926647?login=false 



Journal Article

Supernovae evidence for foundational change to cosmological models Open Access

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 537, Issue 1, February 2025, Pages L55–L60, https://doi.org/10.1093/mnrasl/slae112
Published:
 
19 December 2024
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ABSTRACT

We present a new, cosmologically model-independent, statistical analysis of the Pantheon Type Ia Supernovae spectroscopic data set, improving a standard methodology adopted by Lane et al. We use the Tripp equation for supernova standardization alone, thereby avoiding any potential correlation in the stretch and colour distributions. We compare the standard homogeneous cosmological model, i.e. spatially flat  cold dark matter (CDM), and the timescape cosmology which invokes backreaction of inhomogeneities. Timescape, while statistically homogeneous and isotropic, departs from average Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker evolution, and replaces dark energy by kinetic gravitational energy and its gradients, in explaining independent cosmological observations. When considering the entire Pantheon sample, we find very strong evidence () in favour of timescape over CDM. Furthermore, even restricting the sample to redshifts beyond any conventional scale of statistical homogeneity, , timescape is preferred over CDM with . These results provide evidence for a need to revisit the foundations of theoretical and observational cosmology.

1 INTRODUCTION

The  cold dark matter (CDM) model, which has served as the standard cosmological model for quarter of a century, is facing serious challenges in light of recent results (Abbott et al. 2024; Adame et al. 2024) and may need to be reconsidered at a fundamental level (Di Valentino et al. 2021; Peebles 2022; Aluri et al. 2023). In this Letter, we present definite statistical evidence that the timescape cosmological model (Wiltshire 2007ab2009) outperforms CDM in matching Type Ia Supernovae (SNe Ia) observations. It may provide not only a viable alternative to the standard cosmological model, but ultimately a preferred one. This result potentially has far-reaching consequences not only for cosmology, but also for other key aspects of astrophysical modelling from late epochs to the early universe.

We perform an empirical cosmologically independent analysis within which both the CDM and timescape cosmologies may be embedded, and thus compared via Bayesian statistics. The timescape model is a particular implementation of Buchert’s scalar averaging scheme which incorporates backreaction of inhomogeneities (Buchert 20002001; Wiltshire 2014; Buchert, Mourier & Roy 2020). Instead of a matter density parameter relative to average Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker model (as in CDM), timescape is characterized by the void fraction, which represents the fractional volume of the expanding regions of the universe made up by voids.

A key ingredient of the timescape model is a particular integrability relation for the Buchert equations: the uniform quasi-local Hubble expansion condition. Physically, it is motivated by an extension of Einstein’s Strong Equivalence Principle to cosmological averages at small scales (Mpc) where perturbations to average isotropic expansion and average isotropic motion cannot be observationally distinguished (Wiltshire 2008).

In standard cosmology, differences from average FLRW expansion are assumed to be mostly attributed to local Lorentz boosts – i.e. peculiar velocities – of source and observer, with gravitational potentials contributing fractional variations of  of average expansion at galaxy and galaxy cluster scales. In timescape, the same fractional variation can be up to  and the equivalence of different choices of background, via the Cosmological Equivalence Principle, means that notions of average isotropic expansion persist well into the non-linear regime of structure formation. The signature of the emergent kinetic spatial curvature of voids has now been identified in cosmological simulations using full numerical general relativity without  (Williams et al. 2024).

Both the standard cosmology and the timescape model agree empirically on a Statistical Homogeneity Scale (SHS), typically given as  by the two-point galaxy correlation function (Hogg et al. 2005; Scrimgeour et al. 2012; Dam, Heinesen & Wiltshire 2017). Timescape offers its most important tests and predictions below the SHS, at scales where the filaments, sheets and voids of the cosmic web are still expanding but in the non-linear regime.

To conduct our analysis, we use the largest spectroscopically confirmed SNe Ia data set, Pantheon (Scolnic et al. 2022). SNe Ia have been a pillar for informing the distance ladder used for cosmological model comparison, and have a rich history in revolutionising the field (Riess et al. 1998; Perlmutter et al. 1999). More modern methods for standardizing SNe Ia light curves use the SALT2 fitting algorithm (Guy et al. 2007; Taylor et al. 2021), as used by Pantheon, and more recently SALT3 (Kenworthy et al. 2021) used by the Dark Energy Survey 5-year release (DES5yr; Abbott et al. 2024). The SALT fitting algorithms fit the distance moduli, , using a modified version of the Tripp formula:

(1)

where  and  are considered constant across all redshifts1 is the time stretch/decay parameter, c is the colour, and  and  are the apparent and absolute magnitude in the rest frame of the B band filter. Rest-frame measurements are identical for theories obeying the Strong Equivalence Principle of general relativity – in particular, in both the FLRW and timescape models. In our analysis, c, and  are taken directly from the Pantheon data.

The observational distance modulus from equation (1) is then compared with the theoretical distance modulus, given by

(2)

which is determined using the bolometric flux. The luminosity distance, , can be calculated using the redshift of the supernovae and suitable cosmological model parameters. Typically, these are  for the spatially flat CDM model and  for the timescape cosmology.2 Thus, the distance modulus constitutes the pillar of cosmological model comparison via supernovae analysis.

As noted in Lane et al. (2024), we omit peculiar velocity corrections. These are typically made using FLRW geometry assumptions, making it impossible to include them while preserving model-independence, or to perform a fair comparison. However, as distinctions between peculiar motion and expansion are central to the further development of timescape, the inclusion of such corrections will be addressed in future work. We would expect such corrections to have a small impact for low-redshift data cuts and negligible impact for  taken within a statistically homogeneous regime (Carr et al. 2022). Furthermore, for the same reasons we do not include other cosmological model and metric-dependent bias corrections, such as Malmquist biases. Such corrections are small and cannot drive any substantial changes to the Bayes factors since the trend with redshift is expected to be very similar3 in both CDM and timescape.

Lane et al. (2024) already presented moderate preference in favour of the timescape model over CDM. A similar result was also obtained by the DES team, with , using the Akaike Information Criterion on the DES5yr supernovae sample (Camilleri et al. 2024). They further noted a change from  (in favour of timescape) to  (in favour of spatially flat CDM), when SNe Ia data were combined with Baryonic Acoustic Oscillation (BAO) measurements. However, the BAO analysis of Camilleri et al. (2024) assumes purely geometric adjustments to the standard FLRW pipeline, using a CDM calibration of the BAO drag epoch, which is not the case in timescape. Incorporating detailed BAO analysis into the timescape cosmology requires extraction of the BAO from galaxy clustering statistics, which has already been implemented (Heinesen et al. 2019). However, since the ratio of baryonic matter to non-baryonic dark matter is different from CDM, matter model calibrations in the early universe must also be revisited.

2 STATISTICAL ANALYSIS

We determine Bayes factors, B, using the standard Jeffrey’s scale (Kass & Raftery 1995) for model comparison, whereby  indicates no statistical preference,  moderate preference, while  and  represent strong and very strong preference respectively. In this Letter, positive (negative)  values indicate a preference for the timescape (spatially flat CDM) model.

Bayesian statistics have already been implemented on SNe Ia data for cosmological analysis, originally in the SDSS one-year sample (Kessler et al. 2009; March et al. 2011) but later extended to the Joint Light curve Analysis (Betoule et al. 2014) sample (Nielsen, Guffanti & Sarkar 2016; Dam et al. 2017) and more recently in the Pantheon (Brout et al. 2022ab; Scolnic et al. 2022) data set (Lane et al. 2024).

The previous studies implemented a Bayesian hierarchical likelihood construction in the form

(3)

where the quantities which are denoted with a hat are considered to be observed values, the true values are the quantities not denoted by a hat, and N is the number of supernovae observations. The true data represents the intrinsic parameters utilised explicitly in the Tripp (Tripp 1998) relation.

Nielsen et al. (2016), Dam et al. (2017), and Lane et al. (2024) follow the analysis of March et al. (2011) and adopt global, independent Gaussian distributions for , and c to determine the probability density of the true parameters. However, both of these simplifying assumptions are ultimately flawed. Indeed, (i) the true values of  and c are expected to be highly correlated as these are effective parameters obtained by coarse-graining the highly complex processes behind supernovae explosions; (ii) both the distributions of  and c present strong non-Gaussian features that cannot be explained away by systematics or biases in the data. Whilst the former always represented an overly simplifying assumption, the latter was a reasonable assumption when it was first implemented, however, the vast increases in observed SNe Ia have shown the second assumption to be flawed (Hinton et al. 2019).

To overcome the faulty assumptions of the previous analyses, a full non-Gaussian modelling of the joint distribution for  and c would be required. This represents non-trivial changes in the likelihood construction and integration, which will be addressed in future work (in prep.). Therefore, in this Letter, we propose an alternative approach to sidestep the issue. Our new approach builds upon the Bayesian hierarchical likelihood construction method by directly seeding the priors of  and c with the inferred values from the SALT2 fitting algorithm (Guy et al. 20052007; Taylor et al. 2021). Specifically, we define the priors over the true values for each supernovae as

(4)

where  is a normal distribution with mean value  and variance , and  is the Dirac delta distribution. Thus, the prior distribution in  is common to all the supernovae data, while the priors in  and c are supernovae specific. Therefore, our new approach sidesteps the problem of modelling the joint distribution, only requiring five parameters (a cosmological parameter, , and ), by assuming that the SALT2 parameters represent the ‘true’ parameters, i.e. the most probable values for both  and c for this version of the SALT model.

Equivalently, given a single-shot inference for any physical quantity, the best guess for its true value is precisely the one inferred through the observational procedure. The assumption of being the most probable value introduces a caveat that it may, however, potentially overlook astrophysical systematics inherent in the SALT2 light-curve procedure.

Our approach here has essential differences from previous methodology (Nielsen et al. 2016; Dam et al. 2017; Lane et al. 2024), and is not merely a change of priors. Earlier work assumed that all supernovae are drawn from ideal independent Gaussian distributions in stretch () and in colour (c), with mean values and standard deviations derived from the cosmological fit. In contrast, this study does not assume any particular statistical distribution for  and c, nor do we assume these parameters follow the same ideal distribution across the supernova sample. Instead,  and c are treated as fixed, with values provided by the SALT2 fit. Taylor et al. (2021) show through simulations that SALT2 reliably recovers input supernova parameters. To compare this method with the previous one, we use the same data set as Lane et al. (2024).

Therefore, by now following the same procedure as in Lane et al. (2024), we find the likelihood to be

(5)

where the distributional error matrix (D) is the block-diagonal matrix with each block defined as  is the  statistical and systematic covariance matrix given by Lane et al. (2024, section 2), and the residual vector X is defined by

(6)

Similarly to Dam et al. (2017) and Lane et al. (2024) we utilize a nested Bayesian sampler PyMultiNest (Buchner et al. 2014), which interacts with the MultiNest (Feroz & Hobson 2008; Feroz, Hobson & Bridges 2009; Feroz et al. 2019) code to compare the spatially flat CDM and timescape models with a tolerance of  and  for nine parameters. We choose the same priors as Lane et al. (2024, table B2 & section 3) summarized in Table 1.

Table 1.

Bayesian and frequentist priors on parameters used in the analysis. All priors are uniform on the respective intervals and, importantly, relatively broad for both models to ensure fair comparison.

ParameterPriors
[0.500,0.799] ( bound)
[0.143,0.487] ( bound)
[0,1]
[0,7]
[20,20]
c[20,20]
[20.3,18.3]
 [10,4]

Finally, in our analysis we reconstruct the  by applying a boost (Fixsen et al. 1996) to the Pantheon + heliocentric redshifts, excluding peculiar velocity corrections. We then remove all supernovae with  for varying redshift cuts  and fit the cosmological model to the remaining supernova events. This allows us to examine how the Bayes factor, cosmological parameters, and Tripp parameters vary across different redshift regimes.

3 RESULTS

Results for the Bayes factor, cosmological and light-curve parameters are shown in Fig. 1.

The Bayes factors and Bayesian Maximum Likelihood Estimate (MLE) parameters for the fitting parameters across different redshift cuts, with Bayes factor uncertainties too small to display in the plot. The top plot shows the Bayes factors, where the upper section ($\ln B > 1$) favours timescape, the unshaded section favours neither hypothesis and the lower section ($\ln B < -1$) favours $\Lambda$CDM. The following plots show the various MLE parameter estimates, with values beyond SHS$_\alpha = 0.054^{+0.007}_{-0.012}$ indicated by the dashed vertical line.
Figure 1.

The Bayes factors and Bayesian Maximum Likelihood Estimate (MLE) parameters for the fitting parameters across different redshift cuts, with Bayes factor uncertainties too small to display in the plot. The top plot shows the Bayes factors, where the upper section () favours timescape, the unshaded section favours neither hypothesis and the lower section () favours CDM. The following plots show the various MLE parameter estimates, with values beyond SHS indicated by the dashed vertical line.

The Bayesian comparisons are best understood by splitting the minimum redshift cutoff used into three regimes: (i) for  we find very strong to strong evidence on the Jeffrey’s scale (Kass & Raftery 1995) in favour of timescape over CDM; (ii) for  we enter the calibration regime,4 finding moderate to no significant preference for timescape; (iii) for , beyond any measure of a SHS5, we find exclusively moderate preference for the timescape cosmology. Notably, the log-evidence, , values found here for both models are  greater compared to the previous analysis by Lane et al. (2024).

Since timescape’s uniform quasi-local Hubble expansion condition holds down to scales  Mpc, as we decrease  an increase in the Bayesian evidence favouring timescape is expected if the model accurately captures the average cosmic expansion deep in the non-linear regime of structure formation. Beyond the SHS, CDM of course provides an excellent description of our Universe. However, the evidence in favour of timescape remains small but modest () at the highest redshift cuts, , pointing to the ability of the model to describe the Universe’s expansion history on scales greater than the SHS. This moderate evidence () can be interpreted as resulting from the integrated effects across the redshift range , reflecting the 1–3 per cent variations in the expansion history between timescape and CDM.

In comparing two models with different assumptions in the non-linear regime, the redshift distribution of the data becomes particularly important. For example, Lane et al. (2024) found consistent weak preference in favour of timescape using the P+580 subsample in which data from the full sample is truncated at high and low redshifts. While the evidence for the P+1690 sample changes significantly of order  in our revised analysis, the P+580 subsample result remains consistent (Fig. 2). The discrepancy between the results of the full data set and the subsample suggest the need for further analysis on how the redshift distribution of supernovae, and the probed redshift range impact evidence for cosmological models. The uncertainty in the Bayes factor, , is so small that it does not influence the Jeffrey’s scale classifications or the conclusions drawn.

The difference in the Bayes factors for the full P+1690 sample and the P+580 subsample between Lane et al. (2024) and our results. For the subsample, the results from the new analysis presented here align very well with the results by Lane et al. (2024), while for the full sample the new analysis greatly increases the preference in favour of timescape.
Figure 2.

The difference in the Bayes factors for the full P+1690 sample and the P+580 subsample between Lane et al. (2024) and our results. For the subsample, the results from the new analysis presented here align very well with the results by Lane et al. (2024), while for the full sample the new analysis greatly increases the preference in favour of timescape.

The Bayes factors and Bayesian Maximum Likelihood Estimate (MLE) parameters for different redshift cuts are shown. The top panel shows Bayes factors with blue indicating preference for timescape, red for CDM, and white for neither. The subsequent plots show MLE parameter estimates, with values beyond the scale of the statistical homogeneity (SHS) marked by the dashed vertical line.

Lane et al. (2024) introduced an additional empirical data-driven notion of statistical homogeneity, defining SHS from a power law fitted to the  degenerate parameter. The analogous SHS defined from  does not yield a true convergence for the analysis by Lane et al. (2024), nor for this analysis, due to Malmquist bias not being accounted for. While the SHS appears to converge below , this is not the case for higher redshift cuts. For the reanalysis presented in Fig. 3 we find SHS, which is 1.2 greater than the maximum value of the SHS gathered from the two-point galaxy correlation function (Hogg et al. 2005; Scrimgeour et al. 2012) and somewhat lower but within 2.3 of the result Lane et al. (2024) determined. The differences with respect to the analysis in Lane et al. (2024) derive from the lifting of the Gaussian assumption of the underlying distributions of  and c.

The convergence of the $\alpha x_{\lower2pt\hbox{$\scriptstyle 1$}}$ light-curve parameter for the spatially flat $\Lambda$CDM model across various redshift cuts, where $x _{\lower2pt\hbox{$\scriptstyle 1$}}$ is the median value from the distribution. A power-law model has been fit to the data, and the shaded band represents within 5 per cent of the median value within the range $0.1 \le z_{\rm min}\lt 0.14$ indicating when the model converges. The vertical dotted line represents the SHS$_\alpha$ found at $z_{\rm min}= 0.054^{+0.007}_{-0.012}$. The power-law uncertainty is smaller than the plotted line.
Figure 3.

The convergence of the  light-curve parameter for the spatially flat CDM model across various redshift cuts, where  is the median value from the distribution. A power-law model has been fit to the data, and the shaded band represents within 5 per cent of the median value within the range  indicating when the model converges. The vertical dotted line represents the SHS found at . The power-law uncertainty is smaller than the plotted line.

The Bayesian analysis can be used to find the MLE of the parameters, including the single free cosmological parameter. For  cuts beyond the SHS, (), for CDM we find , within 1.2 of the value found from the DES5yr release (Abbott et al. 2024), and just outside of 2 of Pantheon (Brout et al. 2022a).6

In the case of timescape, we find a void fraction of, , within 2 of the Camilleri et al. (2024) DES5yr value. Significantly, our  value is also within 2 of independent values predicted from the Planck CMB power spectrum,  (Duley, Nazer & Wiltshire 2013); and well within 1 of strong gravitational lensing distance ratios, , (Harvey-Hawes & Wiltshire 2024). We also find the evolution of the Tripp constants, , and  with varying  cuts following Dam et al. (2017), Lane et al. (2024). To avoid the underlying degeneracy between  and , we fix  for both models as a nuisance parameter.7 Moreover, although the values for the individual parameters differ between the two statistical methods, the Tripp distance modulus, , changes on average by only  for redshift cuts beyond . This variation is observed when comparing the median values of  and c in the Tripp methodology, to the general Gaussian distribution fit values.

The change in  between this work and Lane et al. (2024) is thus not statistically significant in this regime. However, it is expected that differences in the prior distribution cause differences in the fitted parameters. This behaviour will be investigated further for supernovae statistics built on skewed, non-Gaussian distributions in future work (in prep.).

In the beams with Bias Correction method (Kessler & Scolnic 2017) a galaxy host correction is introduced with an additional parameter, , defined by the mass-step

(7)

We examined including this term but found that it does not affect the Bayes factor conclusions, with an average offset of  compared to the uncorrected value. Furthermore, the statistical cost of introducing additional free parameters can be assessed by the relative Bayesian Information Criterion (BIC) statistic (Schwarz 1978; Kass & Raftery 1995 for k free parameters, a sample size, N, and likelihood Z. We find that independent of cosmology the model with a mass step is strongly disfavoured relative to the uncorrected Tripp model, with  at . Furthermore, there is no significant change in the value of the cosmological parameter, with , which is well within the 1 range of our statistical and systematic uncertainties. Thus our final results are stated without galaxy host corrections.8

4 DISCUSSION AND CONCLUSIONS

We performed a new Bayesian statistical analysis on the Pantheon supernovae data set, accounting for the non-Gaussian  and c features of the supernovae parameter distributions. The Bayesian evidence yields very strong to strong evidence for the timescape model in the low-redshift regime. This late-universe result could be expected, as the timescape models accounts for non-kinematic differential expansion on scales  where the local inhomogeneous structure of our nearby cosmic web most impacts measurements. On the other hand, for samples strongly weighted by SNe Ia in the calibration regime of the CDM model () there is no significant preference either way, the two models being statistically equivalent. With a restriction to higher redshifts, well beyond any scale of statistical homogeneity generally accepted (Lane et al. 2024), Bayesian evidence is driven once again in favour of timescape.

Our new analysis makes fewer assumptions about any particular statistical distribution of the data. Specifically, the likelihood function is constructed directly from the  and c values obtained using the SALT2 algorithm – values employed in most SNe Ia analyses. The empirical SNe Ia data obtained via the cosmology independent SALT2 fit strongly favours the timescape model over CDM.

Any astrophysical or environmental biases would likely impact both cosmological models. Thus the strong preference for timescape would require an extremely subtle combination of such biases for this to be its prime cause. The largest systematic error in the Pantheon analysis is the standardization of the heterogeneous mix of low-z sample light curves (Abbott et al. 2024; Lane et al. 2024). Future improvements with the new DES5yr sample (Abbott et al. 2024) will allow for a more homogeneous and careful selection of the low-z sample. However, in this Letter we concentrate on the impact of the new statistical method on cosmological model selection, and therefore we use the same data as Lane et al. (2024).

Since timescape has the same number of free parameters as spatially flat CDM, Bayesian evidence offers the best comparison. To expand our results to include other popular FLRW-type alternative cosmological models, which contain more parameters, e.g. wCDM, we determine the BIC statistic (Schwarz 1978; Kass & Raftery 1995) for fair model comparison. For the full sample, we find that relative to timescape CDM models with FLRW curvature are very strongly disfavoured with , while wCDM is also very strongly disfavoured with .

The results presented in this Letter indicate that the timescape cosmology is not only a viable contender to the CDM framework, but may also provide new insights to the astrophysics of modelling SNe Ia. Timescape’s non-FLRW average evolution reveals degeneracies between cosmological parameters and empirical SNe Ia model parameters that were already partly uncovered in earlier work (Dam et al. 2017) but which are striking with Pantheon, as shown by Lane et al. (2024) and the present Letter.

Regardless of what model cosmology is to be the standard in future, exploring more than one model is important. Indeed, the timescape framework is consistent with new analysis of void statistics in numerical relativity simulations using the full Einstein equations (Williams et al. 2024). These are consistent with an emerging kinetic spatial curvature of voids on small scales. Much remains to be done in calibrating the dark matter fraction, primordial sound speed and the BAO scale. However, new results are likely to provide a robust framework for this (Galoppo & Wiltshire 2024; Galoppo, Re & Wiltshire 2024).

Our results imply profound consequences for cosmology and astrophysics. Indeed, a net preference for the timescape cosmology over the standard FLRW cosmologies may point to a need for revision of the foundations of theoretical cosmology, both ontologically and epistemologically, to better understand inhomogeneities and their backreaction on the average evolution of the Universe.

ACKNOWLEDGEMENTS

DLW, RRH, and ZGL are supported by the Marsden Fund administered by the Royal Society of New Zealand, Te Apārangi under grants M1271 and M1255. RRH is also supported by Rutherford Foundation Postdoctoral Fellowship RFT-UOC2203-PD. We are indebted to the anonymous referee of Lane et al. (2024) for suggesting the analysis framework. We also thank the anonymous referee of this Letter for their constructive and insightful comments. We thank all members of the University of Canterbury Gravity and Cosmology and Astrophysics groups for stimulating discussions, particularly: John Forbes, Christopher Harvey-Hawes, Morag Hills, Emma Johnson, Shreyas Tiruvaskar, Michael Williams, and Manon van Zyl. Finally, we wish to thank Elena Moltchanova for her precious insights into the statistical methods employed.

DATA AVAILABILITY

A complete set of the codes and details used for our analysis and how to use them can be found at Seifert & Lane (2023), and the covariance and input files are made available at Lane & Seifert (2024).

Footnotes

1

For Pantheon, Scolnic et al. (2022) adopt values of  and , respectively, for their nominal fit.

2

See Dam et al. (2017, appendix A) for detailed comparisons of luminosity distance calculations in the timescape and FLRW models.

3

The principal small difference occurs in the geometric homogeneous Eddington bias (McKay 2016), leading to the potential for future tests.

4

This is the regime beyond which average homogeneity and isotropy are assumed to apply to all observations. Hogg et al. (2005); Scrimgeour et al. (2012) take this range as  (corresponding to a redshift range of approximately 0.023–0.04).

5

The Lane et al. (2024) value  is larger than other estimates and thus gives a robust upper bound for the SHS.

6

The  and  values reported by Scolnic et al. (2022) and Lane et al. (2024) are derived at various stages of the cosmological fitting pipeline, and are influenced by the specific subsample used (Lane et al. 2024). Any slight differences in cosmological parameters can be attributed to these methodological variations and to the omission of cosmology dependent bias corrections.

7

The relative contributions of Hubble constant uncertainty and absolute magnitude uncertainty, respectively  and , propagate according to  This makes the two contributions impossible to unravel and explains the larger uncertainty, , relative to uncertainties in other parameters from the fitting (see Fig. 1).

8

A further reason for not including galaxy-host corrections is the observation that the  parameter exhibits inconsistent behaviour across different redshift cuts for a simple mass-step function. This inconsistency most likely arises from the heterogeneous subsamples of low-z data, as  is well constrained in a more statistically homogeneous sample. It is possible, but less likely, that these fluctuations arise from other astrophysical factors explored by the DES5yr team and recent studies (Dixon et al. 2024), but these are beyond the scope of this Letter.

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This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted reuse, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Journal Article

Supernovae evidence for foundational change to cosmological models Open Access

Antonia Seifert , Zachary G Lane , Marco Galoppo , Ryan Ridden-Harper , David L Wiltshire

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 537, Issue 1, February 2025, Pages L55–L60, https://doi.org/10.1093/mnrasl/slae112

Published: 19 December 2024 Article history

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ABSTRACT

We present a new, cosmologically model-independent, statistical analysis of the Pantheon

 Type Ia Supernovae spectroscopic data set, improving a standard methodology adopted by Lane et al. We use the Tripp equation for supernova standardization alone, thereby avoiding any potential correlation in the stretch and colour distributions. We compare the standard homogeneous cosmological model, i.e. spatially flat 

 cold dark matter (⁠

CDM), and the timescape cosmology which invokes backreaction of inhomogeneities. Timescape, while statistically homogeneous and isotropic, departs from average Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker evolution, and replaces dark energy by kinetic gravitational energy and its gradients, in explaining independent cosmological observations. When considering the entire Pantheon

 sample, we find very strong evidence (⁠

⁠) in favour of timescape over 

CDM. Furthermore, even restricting the sample to redshifts beyond any conventional scale of statistical homogeneity, 

⁠, timescape is preferred over 

CDM with 

⁠. These results provide evidence for a need to revisit the foundations of theoretical and observational cosmology.


gravitation, supernovae: general, cosmological parameters, dark energy, cosmology: theory

Issue Section: Letter

1 INTRODUCTION

The 

 cold dark matter (⁠

CDM) model, which has served as the standard cosmological model for quarter of a century, is facing serious challenges in light of recent results (Abbott et al. 2024; Adame et al. 2024) and may need to be reconsidered at a fundamental level (Di Valentino et al. 2021; Peebles 2022; Aluri et al. 2023). In this Letter, we present definite statistical evidence that the timescape cosmological model (Wiltshire 2007a, b, 2009) outperforms 

CDM in matching Type Ia Supernovae (SNe Ia) observations. It may provide not only a viable alternative to the standard cosmological model, but ultimately a preferred one. This result potentially has far-reaching consequences not only for cosmology, but also for other key aspects of astrophysical modelling from late epochs to the early universe.


We perform an empirical cosmologically independent analysis within which both the 

CDM and timescape cosmologies may be embedded, and thus compared via Bayesian statistics. The timescape model is a particular implementation of Buchert’s scalar averaging scheme which incorporates backreaction of inhomogeneities (Buchert 2000, 2001; Wiltshire 2014; Buchert, Mourier & Roy 2020). Instead of a matter density parameter relative to average Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker model (as in 

CDM), timescape is characterized by the void fraction, 

⁠, which represents the fractional volume of the expanding regions of the universe made up by voids.


A key ingredient of the timescape model is a particular integrability relation for the Buchert equations: the uniform quasi-local Hubble expansion condition. Physically, it is motivated by an extension of Einstein’s Strong Equivalence Principle to cosmological averages at small scales (⁠

Mpc) where perturbations to average isotropic expansion and average isotropic motion cannot be observationally distinguished (Wiltshire 2008).


In standard cosmology, differences from average FLRW expansion are assumed to be mostly attributed to local Lorentz boosts – i.e. peculiar velocities – of source and observer, with gravitational potentials contributing fractional variations of 

 of average expansion at galaxy and galaxy cluster scales. In timescape, the same fractional variation can be up to 

 and the equivalence of different choices of background, via the Cosmological Equivalence Principle, means that notions of average isotropic expansion persist well into the non-linear regime of structure formation. The signature of the emergent kinetic spatial curvature of voids has now been identified in cosmological simulations using full numerical general relativity without 

 (Williams et al. 2024).


Both the standard cosmology and the timescape model agree empirically on a Statistical Homogeneity Scale (SHS), typically given as 

 by the two-point galaxy correlation function (Hogg et al. 2005; Scrimgeour et al. 2012; Dam, Heinesen & Wiltshire 2017). Timescape offers its most important tests and predictions below the SHS, at scales where the filaments, sheets and voids of the cosmic web are still expanding but in the non-linear regime.


To conduct our analysis, we use the largest spectroscopically confirmed SNe Ia data set, Pantheon

 (Scolnic et al. 2022). SNe Ia have been a pillar for informing the distance ladder used for cosmological model comparison, and have a rich history in revolutionising the field (Riess et al. 1998; Perlmutter et al. 1999). More modern methods for standardizing SNe Ia light curves use the SALT2 fitting algorithm (Guy et al. 2007; Taylor et al. 2021), as used by Pantheon

⁠, and more recently SALT3 (Kenworthy et al. 2021) used by the Dark Energy Survey 5-year release (DES5yr; Abbott et al. 2024). The SALT fitting algorithms fit the distance moduli, 

⁠, using a modified version of the Tripp formula:


 

 

(1)

where 

 and 

 are considered constant across all redshifts1, 

 is the time stretch/decay parameter, c is the colour, and 

 and 

 are the apparent and absolute magnitude in the rest frame of the B band filter. Rest-frame measurements are identical for theories obeying the Strong Equivalence Principle of general relativity – in particular, in both the FLRW and timescape models. In our analysis, 

⁠, c, and 

 are taken directly from the Pantheon

 data.


The observational distance modulus from equation (1) is then compared with the theoretical distance modulus, given by


 

 

 

(2)

which is determined using the bolometric flux. The luminosity distance, 

⁠, can be calculated using the redshift of the supernovae and suitable cosmological model parameters. Typically, these are 

 for the spatially flat 

CDM model and 

 for the timescape cosmology.2 Thus, the distance modulus constitutes the pillar of cosmological model comparison via supernovae analysis.


As noted in Lane et al. (2024), we omit peculiar velocity corrections. These are typically made using FLRW geometry assumptions, making it impossible to include them while preserving model-independence, or to perform a fair comparison. However, as distinctions between peculiar motion and expansion are central to the further development of timescape, the inclusion of such corrections will be addressed in future work. We would expect such corrections to have a small impact for low-redshift data cuts and negligible impact for 

 taken within a statistically homogeneous regime (Carr et al. 2022). Furthermore, for the same reasons we do not include other cosmological model and metric-dependent bias corrections, such as Malmquist biases. Such corrections are small and cannot drive any substantial changes to the Bayes factors since the trend with redshift is expected to be very similar3 in both 

CDM and timescape.


Lane et al. (2024) already presented moderate preference in favour of the timescape model over 

CDM. A similar result was also obtained by the DES team, with 

⁠, using the Akaike Information Criterion on the DES5yr supernovae sample (Camilleri et al. 2024). They further noted a change from 

 

 (in favour of timescape) to 

 

 (in favour of spatially flat 

CDM), when SNe Ia data were combined with Baryonic Acoustic Oscillation (BAO) measurements. However, the BAO analysis of Camilleri et al. (2024) assumes purely geometric adjustments to the standard FLRW pipeline, using a 

CDM calibration of the BAO drag epoch, which is not the case in timescape. Incorporating detailed BAO analysis into the timescape cosmology requires extraction of the BAO from galaxy clustering statistics, which has already been implemented (Heinesen et al. 2019). However, since the ratio of baryonic matter to non-baryonic dark matter is different from 

CDM, matter model calibrations in the early universe must also be revisited.


2 STATISTICAL ANALYSIS

We determine Bayes factors, B, using the standard Jeffrey’s scale (Kass & Raftery 1995) for model comparison, whereby 

 indicates no statistical preference, 

 moderate preference, while 

 and 

 represent strong and very strong preference respectively. In this Letter, positive (negative) 

 values indicate a preference for the timescape (spatially flat 

CDM) model.


Bayesian statistics have already been implemented on SNe Ia data for cosmological analysis, originally in the SDSS one-year sample (Kessler et al. 2009; March et al. 2011) but later extended to the Joint Light curve Analysis (Betoule et al. 2014) sample (Nielsen, Guffanti & Sarkar 2016; Dam et al. 2017) and more recently in the Pantheon

 (Brout et al. 2022a, b; Scolnic et al. 2022) data set (Lane et al. 2024).


The previous studies implemented a Bayesian hierarchical likelihood construction in the form


 

 

(3)

where the quantities which are denoted with a hat are considered to be observed values, the true values are the quantities not denoted by a hat, and N is the number of supernovae observations. The true data represents the intrinsic parameters utilised explicitly in the Tripp (Tripp 1998) relation.


Nielsen et al. (2016), Dam et al. (2017), and Lane et al. (2024) follow the analysis of March et al. (2011) and adopt global, independent Gaussian distributions for 

⁠, 

⁠, and c to determine the probability density of the true parameters. However, both of these simplifying assumptions are ultimately flawed. Indeed, (i) the true values of 

 and c are expected to be highly correlated as these are effective parameters obtained by coarse-graining the highly complex processes behind supernovae explosions; (ii) both the distributions of 

 and c present strong non-Gaussian features that cannot be explained away by systematics or biases in the data. Whilst the former always represented an overly simplifying assumption, the latter was a reasonable assumption when it was first implemented, however, the vast increases in observed SNe Ia have shown the second assumption to be flawed (Hinton et al. 2019).


To overcome the faulty assumptions of the previous analyses, a full non-Gaussian modelling of the joint distribution for 

 and c would be required. This represents non-trivial changes in the likelihood construction and integration, which will be addressed in future work (in prep.). Therefore, in this Letter, we propose an alternative approach to sidestep the issue. Our new approach builds upon the Bayesian hierarchical likelihood construction method by directly seeding the priors of 

 and c with the inferred values from the SALT2 fitting algorithm (Guy et al. 2005, 2007; Taylor et al. 2021). Specifically, we define the priors over the true values for each supernovae as


 

 

(4)

where 

 is a normal distribution with mean value 

 and variance 

⁠, and 

 is the Dirac delta distribution. Thus, the prior distribution in 

 is common to all the supernovae data, while the priors in 

 and c are supernovae specific. Therefore, our new approach sidesteps the problem of modelling the joint distribution, only requiring five parameters (a cosmological parameter, 

⁠, 

⁠, 

⁠, and 

⁠), by assuming that the SALT2 parameters represent the ‘true’ parameters, i.e. the most probable values for both 

 and c for this version of the SALT model.


Equivalently, given a single-shot inference for any physical quantity, the best guess for its true value is precisely the one inferred through the observational procedure. The assumption of being the most probable value introduces a caveat that it may, however, potentially overlook astrophysical systematics inherent in the SALT2 light-curve procedure.


Our approach here has essential differences from previous methodology (Nielsen et al. 2016; Dam et al. 2017; Lane et al. 2024), and is not merely a change of priors. Earlier work assumed that all supernovae are drawn from ideal independent Gaussian distributions in stretch (⁠

⁠) and in colour (c), with mean values and standard deviations derived from the cosmological fit. In contrast, this study does not assume any particular statistical distribution for 

 and c, nor do we assume these parameters follow the same ideal distribution across the supernova sample. Instead, 

 and c are treated as fixed, with values provided by the SALT2 fit. Taylor et al. (2021) show through simulations that SALT2 reliably recovers input supernova parameters. To compare this method with the previous one, we use the same data set as Lane et al. (2024).


Therefore, by now following the same procedure as in Lane et al. (2024), we find the likelihood to be


 

 

 

(5)

where the distributional error matrix (D) is the block-diagonal matrix with each block defined as 

⁠, 

 is the 

 statistical and systematic covariance matrix given by Lane et al. (2024, section 2), and the residual vector X is defined by


 

 

(6)

Similarly to Dam et al. (2017) and Lane et al. (2024) we utilize a nested Bayesian sampler PyMultiNest (Buchner et al. 2014), which interacts with the MultiNest (Feroz & Hobson 2008; Feroz, Hobson & Bridges 2009; Feroz et al. 2019) code to compare the spatially flat 

CDM and timescape models with a tolerance of 

 and 

 for nine parameters. We choose the same priors as Lane et al. (2024, table B2 & section 3) summarized in Table 1.


Table 1.Open in new tabBayesian and frequentist priors on parameters used in the analysis. All priors are uniform on the respective intervals and, importantly, relatively broad for both models to ensure fair comparison.

Parameter Priors

[0.500,0.799] (⁠

 bound)

[0.143,0.487] (⁠

 bound)

[0,1]

[0,7]

[

20,20]

c [

20,20]

[

20.3,18.3]

 [

10,4]

Finally, in our analysis we reconstruct the 

 by applying a boost (Fixsen et al. 1996) to the Pantheon + heliocentric redshifts, excluding peculiar velocity corrections. We then remove all supernovae with 

 for varying redshift cuts 

 and fit the cosmological model to the remaining supernova events. This allows us to examine how the Bayes factor, cosmological parameters, and Tripp parameters vary across different redshift regimes.


3 RESULTS

Results for the Bayes factor, cosmological and light-curve parameters are shown in Fig. 1.


The Bayes factors and Bayesian Maximum Likelihood Estimate (MLE) parameters for the fitting parameters across different redshift cuts, with Bayes factor uncertainties too small to display in the plot. The top plot shows the Bayes factors, where the upper section ($\ln B > 1$) favours timescape, the unshaded section favours neither hypothesis and the lower section ($\ln B < -1$) favours $\Lambda$CDM. The following plots show the various MLE parameter estimates, with values beyond SHS$_\alpha = 0.054^{+0.007}_{-0.012}$ indicated by the dashed vertical line.

Figure 1.The Bayes factors and Bayesian Maximum Likelihood Estimate (MLE) parameters for the fitting parameters across different redshift cuts, with Bayes factor uncertainties too small to display in the plot. The top plot shows the Bayes factors, where the upper section (⁠

⁠) favours timescape, the unshaded section favours neither hypothesis and the lower section (⁠

⁠) favours 

CDM. The following plots show the various MLE parameter estimates, with values beyond SHS

 indicated by the dashed vertical line.

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The Bayesian comparisons are best understood by splitting the minimum redshift cutoff used into three regimes: (i) for 

 we find very strong to strong evidence on the Jeffrey’s scale (Kass & Raftery 1995) in favour of timescape over 

CDM; (ii) for 

 we enter the calibration regime,4 finding moderate to no significant preference for timescape; (iii) for 

⁠, beyond any measure of a SHS5, we find exclusively moderate preference for the timescape cosmology. Notably, the log-evidence, 

⁠, values found here for both models are 

 greater compared to the previous analysis by Lane et al. (2024).


Since timescape’s uniform quasi-local Hubble expansion condition holds down to scales 

 Mpc, as we decrease 

 an increase in the Bayesian evidence favouring timescape is expected if the model accurately captures the average cosmic expansion deep in the non-linear regime of structure formation. Beyond the SHS, 

CDM of course provides an excellent description of our Universe. However, the evidence in favour of timescape remains small but modest (⁠

⁠) at the highest redshift cuts, 

⁠, pointing to the ability of the model to describe the Universe’s expansion history on scales greater than the SHS. This moderate evidence (⁠

⁠) can be interpreted as resulting from the integrated effects across the redshift range 

⁠, reflecting the 1–3 per cent variations in the expansion history between timescape and 

CDM.


In comparing two models with different assumptions in the non-linear regime, the redshift distribution of the data becomes particularly important. For example, Lane et al. (2024) found consistent weak preference in favour of timescape using the P+580 subsample in which data from the full sample is truncated at high and low redshifts. While the evidence for the P+1690 sample changes significantly of order 

 in our revised analysis, the P+580 subsample result remains consistent (Fig. 2). The discrepancy between the results of the full data set and the subsample suggest the need for further analysis on how the redshift distribution of supernovae, and the probed redshift range impact evidence for cosmological models. The uncertainty in the Bayes factor, 

⁠, is so small that it does not influence the Jeffrey’s scale classifications or the conclusions drawn.


The difference in the Bayes factors for the full P+1690 sample and the P+580 subsample between Lane et al. (2024) and our results. For the subsample, the results from the new analysis presented here align very well with the results by Lane et al. (2024), while for the full sample the new analysis greatly increases the preference in favour of timescape.

Figure 2.The difference in the Bayes factors for the full P+1690 sample and the P+580 subsample between Lane et al. (2024) and our results. For the subsample, the results from the new analysis presented here align very well with the results by Lane et al. (2024), while for the full sample the new analysis greatly increases the preference in favour of timescape.

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The Bayes factors and Bayesian Maximum Likelihood Estimate (MLE) parameters for different redshift cuts are shown. The top panel shows Bayes factors with blue indicating preference for timescape, red for 

CDM, and white for neither. The subsequent plots show MLE parameter estimates, with values beyond the scale of the statistical homogeneity (SHS) marked by the dashed vertical line.


Lane et al. (2024) introduced an additional empirical data-driven notion of statistical homogeneity, defining SHS

 from a power law fitted to the 

 degenerate parameter. The analogous SHS

 defined from 

 does not yield a true convergence for the analysis by Lane et al. (2024), nor for this analysis, due to Malmquist bias not being accounted for. While the SHS

 appears to converge below 

⁠, this is not the case for higher redshift cuts. For the reanalysis presented in Fig. 3 we find SHS

⁠, which is 1.2

 greater than the maximum value of the SHS gathered from the two-point galaxy correlation function (Hogg et al. 2005; Scrimgeour et al. 2012) and somewhat lower but within 2.3

 of the result Lane et al. (2024) determined. The differences with respect to the analysis in Lane et al. (2024) derive from the lifting of the Gaussian assumption of the underlying distributions of 

 and c.


The convergence of the $\alpha x_{\lower2pt\hbox{$\scriptstyle 1$}}$ light-curve parameter for the spatially flat $\Lambda$CDM model across various redshift cuts, where $x _{\lower2pt\hbox{$\scriptstyle 1$}}$ is the median value from the distribution. A power-law model has been fit to the data, and the shaded band represents within 5 per cent of the median value within the range $0.1 \le z_{\rm min}\lt 0.14$ indicating when the model converges. The vertical dotted line represents the SHS$_\alpha$ found at $z_{\rm min}= 0.054^{+0.007}_{-0.012}$. The power-law uncertainty is smaller than the plotted line.

Figure 3.The convergence of the 

 light-curve parameter for the spatially flat 

CDM model across various redshift cuts, where 

 is the median value from the distribution. A power-law model has been fit to the data, and the shaded band represents within 5 per cent of the median value within the range 

 indicating when the model converges. The vertical dotted line represents the SHS

 found at 

⁠. The power-law uncertainty is smaller than the plotted line.

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The Bayesian analysis can be used to find the MLE of the parameters, including the single free cosmological parameter. For 

 cuts beyond the SHS

⁠, (⁠

⁠), for 

CDM we find 

⁠, within 1.2

 of the value found from the DES5yr release (Abbott et al. 2024), and just outside of 2

 of Pantheon

 (Brout et al. 2022a).6


In the case of timescape, we find a void fraction of, 

⁠, within 2

 of the Camilleri et al. (2024) DES5yr value. Significantly, our 

 value is also within 2

 of independent values predicted from the Planck CMB power spectrum, 

 (Duley, Nazer & Wiltshire 2013); and well within 1

 of strong gravitational lensing distance ratios, 

⁠, (Harvey-Hawes & Wiltshire 2024). We also find the evolution of the Tripp constants, 

⁠, 

⁠, and 

 with varying 

 cuts following Dam et al. (2017), Lane et al. (2024). To avoid the underlying degeneracy between 

 and 

⁠, we fix 

 for both models as a nuisance parameter.7 Moreover, although the values for the individual parameters differ between the two statistical methods, the Tripp distance modulus, 

⁠, changes on average by only 

 for redshift cuts beyond 

⁠. This variation is observed when comparing the median values of 

 and c in the Tripp methodology, to the general Gaussian distribution fit values.


The change in 

 between this work and Lane et al. (2024) is thus not statistically significant in this regime. However, it is expected that differences in the prior distribution cause differences in the fitted parameters. This behaviour will be investigated further for supernovae statistics built on skewed, non-Gaussian distributions in future work (in prep.).


In the beams with Bias Correction method (Kessler & Scolnic 2017) a galaxy host correction is introduced with an additional parameter, 

⁠, defined by the mass-step


 

 

 

(7)

We examined including this term but found that it does not affect the Bayes factor conclusions, with an average offset of 

 compared to the uncorrected value. Furthermore, the statistical cost of introducing additional free parameters can be assessed by the relative Bayesian Information Criterion (BIC) statistic (Schwarz 1978; Kass & Raftery 1995) 

 for k free parameters, a sample size, N, and likelihood Z. We find that independent of cosmology the model with a mass step is strongly disfavoured relative to the uncorrected Tripp model, with 

 at 

⁠. Furthermore, there is no significant change in the value of the cosmological parameter, with 

⁠, which is well within the 1

 range of our statistical and systematic uncertainties. Thus our final results are stated without galaxy host corrections.8


4 DISCUSSION AND CONCLUSIONS

We performed a new Bayesian statistical analysis on the Pantheon

 supernovae data set, accounting for the non-Gaussian 

 and c features of the supernovae parameter distributions. The Bayesian evidence yields very strong to strong evidence for the timescape model in the low-redshift regime. This late-universe result could be expected, as the timescape models accounts for non-kinematic differential expansion on scales 

 where the local inhomogeneous structure of our nearby cosmic web most impacts measurements. On the other hand, for samples strongly weighted by SNe Ia in the calibration regime of the 

CDM model (⁠

⁠) there is no significant preference either way, the two models being statistically equivalent. With a restriction to higher redshifts, well beyond any scale of statistical homogeneity generally accepted (Lane et al. 2024), Bayesian evidence is driven once again in favour of timescape.


Our new analysis makes fewer assumptions about any particular statistical distribution of the data. Specifically, the likelihood function is constructed directly from the 

 and c values obtained using the SALT2 algorithm – values employed in most SNe Ia analyses. The empirical SNe Ia data obtained via the cosmology independent SALT2 fit strongly favours the timescape model over 

CDM.


Any astrophysical or environmental biases would likely impact both cosmological models. Thus the strong preference for timescape would require an extremely subtle combination of such biases for this to be its prime cause. The largest systematic error in the Pantheon

 analysis is the standardization of the heterogeneous mix of low-z sample light curves (Abbott et al. 2024; Lane et al. 2024). Future improvements with the new DES5yr sample (Abbott et al. 2024) will allow for a more homogeneous and careful selection of the low-z sample. However, in this Letter we concentrate on the impact of the new statistical method on cosmological model selection, and therefore we use the same data as Lane et al. (2024).


Since timescape has the same number of free parameters as spatially flat 

CDM, Bayesian evidence offers the best comparison. To expand our results to include other popular FLRW-type alternative cosmological models, which contain more parameters, e.g. wCDM, we determine the BIC statistic (Schwarz 1978; Kass & Raftery 1995) for fair model comparison. For the full sample, we find that relative to timescape 

CDM models with FLRW curvature are very strongly disfavoured with 

⁠, while wCDM is also very strongly disfavoured with 

⁠.


The results presented in this Letter indicate that the timescape cosmology is not only a viable contender to the 

CDM framework, but may also provide new insights to the astrophysics of modelling SNe Ia. Timescape’s non-FLRW average evolution reveals degeneracies between cosmological parameters and empirical SNe Ia model parameters that were already partly uncovered in earlier work (Dam et al. 2017) but which are striking with Pantheon

⁠, as shown by Lane et al. (2024) and the present Letter.


Regardless of what model cosmology is to be the standard in future, exploring more than one model is important. Indeed, the timescape framework is consistent with new analysis of void statistics in numerical relativity simulations using the full Einstein equations (Williams et al. 2024). These are consistent with an emerging kinetic spatial curvature of voids on small scales. Much remains to be done in calibrating the dark matter fraction, primordial sound speed and the BAO scale. However, new results are likely to provide a robust framework for this (Galoppo & Wiltshire 2024; Galoppo, Re & Wiltshire 2024).


Our results imply profound consequences for cosmology and astrophysics. Indeed, a net preference for the timescape cosmology over the standard FLRW cosmologies may point to a need for revision of the foundations of theoretical cosmology, both ontologically and epistemologically, to better understand inhomogeneities and their backreaction on the average evolution of the Universe.


ACKNOWLEDGEMENTS

DLW, RRH, and ZGL are supported by the Marsden Fund administered by the Royal Society of New Zealand, Te Apārangi under grants M1271 and M1255. RRH is also supported by Rutherford Foundation Postdoctoral Fellowship RFT-UOC2203-PD. We are indebted to the anonymous referee of Lane et al. (2024) for suggesting the analysis framework. We also thank the anonymous referee of this Letter for their constructive and insightful comments. We thank all members of the University of Canterbury Gravity and Cosmology and Astrophysics groups for stimulating discussions, particularly: John Forbes, Christopher Harvey-Hawes, Morag Hills, Emma Johnson, Shreyas Tiruvaskar, Michael Williams, and Manon van Zyl. Finally, we wish to thank Elena Moltchanova for her precious insights into the statistical methods employed.


DATA AVAILABILITY

A complete set of the codes and details used for our analysis and how to use them can be found at Seifert & Lane (2023), and the covariance and input files are made available at Lane & Seifert (2024).


Footnotes

1

For Pantheon

⁠, Scolnic et al. (2022) adopt values of 

 and 

⁠, respectively, for their nominal fit.

2

See Dam et al. (2017, appendix A) for detailed comparisons of luminosity distance calculations in the timescape and FLRW models.

3

The principal small difference occurs in the geometric homogeneous Eddington bias (McKay 2016), leading to the potential for future tests.

4

This is the regime beyond which average homogeneity and isotropy are assumed to apply to all observations. Hogg et al. (2005); Scrimgeour et al. (2012) take this range as 

 (corresponding to a redshift range of approximately 0.023–0.04).

5

The Lane et al. (2024) value 

 is larger than other estimates and thus gives a robust upper bound for the SHS.

6

The 

 and 

 values reported by Scolnic et al. (2022) and Lane et al. (2024) are derived at various stages of the cosmological fitting pipeline, and are influenced by the specific subsample used (Lane et al. 2024). Any slight differences in cosmological parameters can be attributed to these methodological variations and to the omission of cosmology dependent bias corrections.

7

The relative contributions of Hubble constant uncertainty and absolute magnitude uncertainty, respectively 

 and 

⁠, propagate according to 

 

 This makes the two contributions impossible to unravel and explains the larger uncertainty, 

⁠, relative to uncertainties in other parameters from the fitting (see Fig. 1).

8

A further reason for not including galaxy-host corrections is the observation that the 

 parameter exhibits inconsistent behaviour across different redshift cuts for a simple mass-step function. This inconsistency most likely arises from the heterogeneous subsamples of low-z data, as 

 is well constrained in a more statistically homogeneous sample. It is possible, but less likely, that these fluctuations arise from other astrophysical factors explored by the DES5yr team and recent studies (Dixon et al. 2024), but these are beyond the scope of this Letter.

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© 2024 The Author(s). Published by Oxford University Press on behalf of Royal Astronomical Society.

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted reuse, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.



Artigo de jornal
Evidências de supernovas para mudanças fundamentais em modelos cosmológicos 

Acesso aberto

Avisos mensais da Royal Astronomical Society: Cartas , Volume 537, Edição 1, fevereiro de 2025, páginas L55–L60, https://doi.org/10.1093/mnrasl/slae112
Publicado:
 
19 de dezembro de 2024
 Histórico do artigo

RESUMO

Apresentamos uma nova análise estatística do Panteão, cosmologicamente independente do modelo.Conjunto de dados espectroscópicos de supernovas do Tipo Ia, aprimorando uma metodologia padrão adotada por Lane et al. Usamos a equação de Tripp apenas para padronização de supernovas, evitando assim qualquer correlação potencial nas distribuições de estiramento e cor. Comparamos o modelo cosmológico homogêneo padrão, ou seja, espacialmente plano.matéria escura fria (CDM) e a cosmologia da paisagem temporal, que invoca a reação reversa de inomogeneidades. A paisagem temporal, embora estatisticamente homogênea e isotrópica, afasta-se da evolução média de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker e substitui a energia escura pela energia gravitacional cinética e seus gradientes, explicando observações cosmológicas independentes. Ao considerar todo o Panteãoamostra, encontramos evidências muito fortes ( ) a favor da fuga temporal em vez deCDM. Além disso, mesmo restringindo a amostra a desvios para o vermelho além de qualquer escala convencional de homogeneidade estatística, , timescape é preferível aCDM com . Esses resultados fornecem evidências da necessidade de revisitar os fundamentos da cosmologia teórica e observacional.

1 INTRODUÇÃO

Omatéria escura fria (O modelo CDM (Central Modulation of Cosmology), que serviu como modelo cosmológico padrão por um quarto de século, enfrenta sérios desafios à luz de resultados recentes (Abbott et al., 2024 ; Adame et al., 2024 ) e pode precisar ser reconsiderado em um nível fundamental (Di Valentino et al., 2021 ; Peebles , 2022 ; Aluri et al., 2023 ). Nesta Carta, apresentamos evidências estatísticas definitivas de que o modelo cosmológico de paisagem temporal (Wiltshire, 2007a , b , 2009 ) superaCDM na correspondência de observações de Supernovas Tipo Ia (SNe Ia). Pode fornecer não apenas uma alternativa viável ao modelo cosmológico padrão, mas, em última análise, uma alternativa preferencial. Este resultado tem consequências potencialmente abrangentes não apenas para a cosmologia, mas também para outros aspectos-chave da modelagem astrofísica, desde épocas tardias até o universo primordial.

Realizamos uma análise empírica cosmologicamente independente dentro da qual ambosAs cosmologias CDM e de paisagem temporal podem ser incorporadas e, portanto, comparadas por meio de estatísticas bayesianas. O modelo de paisagem temporal é uma implementação particular do esquema de média escalar de Buchert, que incorpora a reação reversa de inomogeneidades (Buchert 2000 , 2001 ; Wiltshire 2014 ; Buchert, Mourier & Roy 2020 ). Em vez de um parâmetro de densidade de matéria relativo à média do modelo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (como emCDM), o cenário temporal é caracterizado pela fração de vazio ,
 , que representa o volume fracionário das regiões em expansão do universo constituídas por vazios.

Um ingrediente-chave do modelo de paisagem temporal é uma relação de integrabilidade particular para as equações de Buchert: a condição de expansão uniforme quase local de Hubble . Fisicamente, é motivado por uma extensão do Princípio da Equivalência Forte de Einstein para médias cosmológicas em pequenas escalas ( Mpc) onde perturbações na expansão isotrópica média e no movimento isotrópico médio não podem ser distinguidas observacionalmente (Wiltshire 2008 ).

Na cosmologia padrão, supõe-se que as diferenças em relação à expansão média de FLRW sejam atribuídas principalmente aos impulsos locais de Lorentz – ou seja, velocidades peculiares – da fonte e do observador, com potenciais gravitacionais contribuindo com variações fracionárias dede expansão média em escalas de galáxias e aglomerados de galáxias. Na paisagem temporal, a mesma variação fracionária pode ser de atée a equivalência de diferentes escolhas de fundo, por meio do Princípio da Equivalência Cosmológica, significa que as noções de expansão isotrópica média persistem bem no regime não linear de formação de estruturas. A assinatura da curvatura espacial cinética emergente de vazios foi agora identificada em simulações cosmológicas usando a relatividade geral numérica completa sem(Williams e outros 2024 ).

Tanto a cosmologia padrão quanto o modelo de paisagem temporal concordam empiricamente em uma Escala de Homogeneidade Estatística (SHS), normalmente dada como

Para conduzir nossa análise, usamos o maior conjunto de dados SNe Ia confirmado espectroscopicamente, Pantheon(Scolnic et al. 2022 ). As SNe Ia têm sido um pilar para informar a escala de distância usada para comparação de modelos cosmológicos e têm uma rica história em revolucionar o campo (Riess et al. 1998 ; Perlmutter et al. 1999 ). Métodos mais modernos para padronizar curvas de luz SNe Ia usam o algoritmo de ajuste SALT2 (Guy et al. 2007 ; Taylor et al. 2021 ), conforme usado pelo Pantheon . e, mais recentemente, SALT3 (Kenworthy et al. 2021 ) usado pela versão de 5 anos do Dark Energy Survey (DES5yr; Abbott et al. 2024 ). Os algoritmos de ajuste SALT ajustam os módulos de distância, , usando uma versão modificada da fórmula de Tripp:

(1)

ondeesão considerados constantes em todos os desvios para o vermelho 1 ,
é o parâmetro de alongamento/decaimento do tempo, c é a cor e
e
são as magnitudes aparente e absoluta no referencial de repouso do filtro de banda B. As medições no referencial de repouso são idênticas para teorias que obedecem ao Princípio da Equivalência Forte da relatividade geral – em particular, tanto no modelo FLRW quanto no modelo de paisagem temporal. Em nossa análise,
 , c , e
são retirados diretamente do Panteãodados.

O módulo de distância observacional da equação ( 1 ) é então comparado com o módulo de distância teórica, dado por

(2)

que é determinado usando o fluxo bolométrico. A distância de luminosidade,
 , pode ser calculado usando o desvio para o vermelho das supernovas e parâmetros adequados do modelo cosmológico. Normalmente, estes são
para o espacialmente planoModelo CDM e
para a cosmologia da paisagem temporal. 2 Assim, o módulo de distância constitui o pilar da comparação de modelos cosmológicos por meio da análise de supernovas.

Conforme observado em Lane et al. ( 2024 ), omitimos correções de velocidade peculiar. Estas são tipicamente feitas usando suposições de geometria FLRW, tornando impossível incluí-las preservando a independência do modelo ou realizando uma comparação justa. No entanto, como as distinções entre movimento peculiar e expansão são centrais para o desenvolvimento posterior da paisagem temporal, a inclusão de tais correções será abordada em trabalhos futuros. Esperamos que tais correções tenham um impacto pequeno para cortes de dados de baixo desvio para o vermelho e um impacto insignificante paratomadas dentro de um regime estatisticamente homogêneo (Carr et al. 2022 ). Além disso, pelas mesmas razões, não incluímos outras correções de viés dependentes de modelos cosmológicos e métricos, como os vieses de Malmquist. Tais correções são pequenas e não podem gerar mudanças substanciais nos fatores de Bayes, uma vez que se espera que a tendência com o desvio para o vermelho seja muito semelhante em ambos .CDM e fuga temporal.

Lane et al. ( 2024 ) já apresentaram preferência moderada em favor do modelo de escape temporal em relaçãoCDM. Um resultado semelhante também foi obtido pela equipe do DES, com , usando o Critério de Informação de Akaike na amostra de supernovas DES5yr (Camilleri et al. 2024 ). Eles também notaram uma mudança de

2 ANÁLISE ESTATÍSTICA

Determinamos os fatores de Bayes, B , usando a escala padrão de Jeffrey (Kass & Raftery 1995 ) para comparação de modelos, ondenão indica preferência estatística,preferência moderada, enquantoerepresentam preferência forte e muito forte, respectivamente. Nesta Carta, positivo (negativo)os valores indicam uma preferência pela paisagem temporal (espacialmente planamodelo CDM).

Estatísticas bayesianas já foram implementadas em dados SNe Ia para análise cosmológica, originalmente na amostra de um ano do SDSS (Kessler et al. 2009 ; March et al. 2011 ), mas posteriormente estendidas para a amostra da curva de luz conjunta (Betoule et al. 2014 ) (Nielsen, Guffanti & Sarkar 2016 ; Dam et al. 2017 ) e mais recentemente no Pantheon(Brout et al. 2022a , b ; Scolnic et al. 2022 ) conjunto de dados (Lane et al. 2024 ).

Os estudos anteriores implementaram uma construção de verossimilhança hierárquica bayesiana na forma

(3)

onde as grandezas denotadas por um chapéu são consideradas valores observados, os valores verdadeiros são as grandezas não denotadas por um chapéu e N é o número de observações de supernovas. Os dados verdadeiros representam os parâmetros intrínsecos utilizados explicitamente na relação de Tripp (Tripp 1998 ).

Nielsen et al. ( 2016 ), Dam et al. ( 2017 ) e Lane et al. ( 2024 ) seguem a análise de March et al. ( 2011 ) e adotam distribuições gaussianas globais e independentes para
 ,
 , e c para determinar a densidade de probabilidade dos parâmetros verdadeiros. No entanto, ambas as suposições simplificadoras são, em última análise, falhas. De fato, (i) os valores verdadeiros de
c são esperados como altamente correlacionados, uma vez que estes são parâmetros eficazes obtidos através da granularidade grosseira dos processos altamente complexos por trás das explosões de supernovas; (ii) ambas as distribuições de
c apresentam fortes características não gaussianas que não podem ser explicadas por sistemática ou vieses nos dados. Embora a primeira sempre tenha representado uma suposição excessivamente simplificadora, a segunda era uma suposição razoável quando foi implementada pela primeira vez. No entanto, os grandes aumentos observados na SNe Ia demonstraram que a segunda suposição é falha (Hinton et al., 2019 ).

Para superar as suposições errôneas das análises anteriores, foi realizada uma modelagem não gaussiana completa da distribuição conjunta para
c seriam necessários. Isso representa mudanças não triviais na construção e integração da verossimilhança, que serão abordadas em trabalhos futuros (em preparação). Portanto, nesta Carta, propomos uma abordagem alternativa para contornar o problema. Nossa nova abordagem se baseia no método de construção de verossimilhança hierárquica bayesiana, semeando diretamente os priores de
c com os valores inferidos do algoritmo de ajuste SALT2 (Guy et al. 2005 , 2007 ; Taylor et al. 2021 ). Especificamente, definimos os priores sobre os valores verdadeiros para cada supernova como

(4)

onde
e variância
 , eé a distribuição delta de Dirac. Assim, a distribuição anterior em
é comum a todos os dados de supernovas, enquanto os priores em
c são específicos de supernovas. Portanto, nossa nova abordagem contorna o problema de modelar a distribuição conjunta, exigindo apenas cinco parâmetros (um parâmetro cosmológico, , ,
 , e
 ), assumindo que os parâmetros SALT2 representam os parâmetros 'verdadeiros', ou seja, os valores mais prováveis para ambos
c para esta versão do modelo SALT.

Da mesma forma, dada uma inferência única para qualquer grandeza física, a melhor estimativa para seu valor verdadeiro é precisamente aquela inferida por meio do procedimento observacional. A suposição de ser o valor mais provável introduz a ressalva de que pode, no entanto, potencialmente ignorar a sistemática astrofísica inerente ao procedimento de curva de luz SALT2.

Nossa abordagem aqui apresenta diferenças essenciais em relação à metodologia anterior (Nielsen et al. 2016 ; Dam et al. 2017 ; Lane et al. 2024 ) e não se trata apenas de uma mudança de antecedentes. Trabalhos anteriores presumiram que todas as supernovas são derivadas de distribuições gaussianas independentes ideais em estiramento ( 
 ) e em cores ( c ), com valores médios e desvios-padrão derivados do ajuste cosmológico. Em contraste, este estudo não assume nenhuma distribuição estatística particular para
c , nem assumimos que esses parâmetros seguem a mesma distribuição ideal em toda a amostra da supernova. Em vez disso,
c são tratados como fixos, com valores fornecidos pelo ajuste SALT2. Taylor et al. ( 2021 ) demonstram, por meio de simulações, que o SALT2 recupera de forma confiável os parâmetros de entrada da supernova. Para comparar este método com o anterior, usamos o mesmo conjunto de dados de Lane et al. ( 2024 ).

Portanto, seguindo agora o mesmo procedimento de Lane et al. ( 2024 ), encontramos a probabilidade de ser

(5)

onde a matriz de erro distribucional ( D ) é a matriz diagonal do bloco com cada bloco definido como
é omatriz de covariância estatística e sistemática dada por Lane et al. ( 2024 , seção  2 ), e o vetor residual X é definido por

(6)

Similarmente a Dam et al. ( 2017 ) e Lane et al. ( 2024 ) utilizamos um amostrador bayesiano aninhado PyMultiNest (Buchner et al. 2014 ), que interage com o código MultiNest (Feroz & Hobson 2008 ; Feroz, Hobson & Bridges 2009 ; Feroz et al. 2019 ) para comparar o espacialmente planoModelos CDM e de escape temporal com tolerância dee

Tabela 1.
Priores bayesianos e frequentistas sobre os parâmetros utilizados na análise. Todos os priores são uniformes nos respectivos intervalos e, principalmente, relativamente amplos para ambos os modelos, a fim de garantir uma comparação justa.
ParâmetroPriores
[0,500,0,799] ( vinculado)
[0,143,0,487] ( vinculado)
[0,1]
[0,7]
[20,20]
c[20,20]
[20.3,18.3]
[10,4]

Por fim, em nossa análise, reconstruímos a
aplicando um reforço (Fixsen et al. 1996 ) aos desvios para o vermelho do Pantheon + heliocêntrico, excluindo correções de velocidade peculiares. Em seguida, removemos todas as supernovas com
para cortes variáveis de desvio para o vermelho
e ajustar o modelo cosmológico aos eventos de supernova restantes. Isso nos permite examinar como o fator de Bayes, os parâmetros cosmológicos e os parâmetros de Tripp variam entre diferentes regimes de desvio para o vermelho.

3 RESULTADOS

Os resultados para o fator de Bayes, parâmetros cosmológicos e de curva de luz são mostrados na Fig.  1 .

Os fatores de Bayes e os parâmetros da Estimativa de Máxima Verossimilhança Bayesiana (MLE) para os parâmetros de ajuste em diferentes cortes de redshift, com incertezas dos fatores de Bayes muito pequenas para serem exibidas no gráfico. O gráfico superior mostra os fatores de Bayes, onde a seção superior ($\ln B > 1$) favorece o cenário temporal, a seção sem sombreamento não favorece nenhuma hipótese e a seção inferior ($\ln B < -1$) favorece $\Lambda$CDM. Os gráficos a seguir mostram as várias estimativas dos parâmetros da MLE, com valores além de SHS$_\alpha = 0,054^{+0,007}_{-0,012}$ indicados pela linha vertical tracejada.
Figura 1.

Os fatores de Bayes e os parâmetros da Estimativa de Máxima Verossimilhança Bayesiana (MLE) para os parâmetros de ajuste em diferentes cortes de redshift, com incertezas dos fatores de Bayes muito pequenas para serem exibidas no gráfico. O gráfico superior mostra os fatores de Bayes, enquanto a seção superior (  ) favorece a paisagem temporal, a seção não sombreada não favorece nenhuma hipótese e a seção inferior (  ) favoresCDM. Os gráficos a seguir mostram as várias estimativas dos parâmetros MLE, com valores além do SHS

indicado pela linha vertical tracejada.

As comparações bayesianas são melhor compreendidas dividindo o corte mínimo de desvio para o vermelho usado em três regimes: (i) paraencontramos evidências muito fortes a fortes na escala de Jeffrey (Kass & Raftery 1995 ) a favor da fuga temporal em relaçãoMDL; (ii) paraentramos no regime de calibração , 4 encontrando preferência moderada ou nenhuma significativa para o escape temporal; (iii) para , além de qualquer medida de um SHS 5 , encontramos uma preferência exclusivamente moderada pela cosmologia da paisagem temporal. Notavelmente, a evidência logarítmica, , os valores encontrados aqui para ambos os modelos sãomaior em comparação com a análise anterior de Lane et al. ( 2024 ).

Uma vez que a condição de expansão uniforme quase local de Hubble do timescape se mantém em escalas Mpc, à medida que diminuímosEspera-se um aumento na evidência bayesiana a favor da paisagem temporal se o modelo capturar com precisão a expansão cósmica média nas profundezas do regime não linear de formação de estruturas. Além do SHS,O MDL, é claro, fornece uma excelente descrição do nosso Universo. No entanto, as evidências a favor da fuga temporal permanecem pequenas, porém modestas (  ) nos cortes de redshift mais altos, , apontando para a capacidade do modelo de descrever a história da expansão do Universo em escalas maiores que o SHS. Esta evidência moderada (  ) pode ser interpretado como resultante dos efeitos integrados em toda a faixa de desvio para o vermelho , refletindo as variações de 1 a 3 por cento na história da expansão entre a paisagem temporal eMDL.

Ao comparar dois modelos com diferentes suposições no regime não linear, a distribuição do desvio para o vermelho dos dados torna-se particularmente importante. Por exemplo, Lane et al. ( 2024 ) encontraram uma preferência fraca consistente em favor do cenário temporal usando a subamostra P+580, na qual os dados da amostra completa são truncados em desvios para o vermelho altos e baixos. Embora a evidência para a amostra P+1690 mude significativamente de ordemEm nossa análise revisada, o resultado da subamostra P+580 permanece consistente (Fig.  2 ). A discrepância entre os resultados do conjunto completo de dados e da subamostra sugere a necessidade de análises mais aprofundadas sobre como a distribuição do desvio para o vermelho das supernovas e a faixa de desvio para o vermelho investigada impactam as evidências para modelos cosmológicos. A incerteza no fator de Bayes, , é tão pequeno que não influencia as classificações da escala de Jeffrey ou as conclusões tiradas.

A diferença nos fatores de Bayes para a amostra completa de P+1690 e a subamostra de P+580 entre Lane et al. (2024) e nossos resultados. Para a subamostra, os resultados da nova análise apresentada aqui se alinham muito bem com os resultados de Lane et al. (2024), enquanto para a amostra completa a nova análise aumenta consideravelmente a preferência em favor do cenário de fuga temporal.
Figura 2.

A diferença nos fatores de Bayes para a amostra completa de P+1690 e a subamostra de P+580 entre Lane et al. ( 2024 ) e nossos resultados. Para a subamostra, os resultados da nova análise apresentada aqui se alinham muito bem com os resultados de Lane et al. ( 2024 ), enquanto para a amostra completa a nova análise aumenta consideravelmente a preferência em favor do escape temporal.

Os fatores de Bayes e os parâmetros da Estimativa de Máxima Verossimilhança Bayesiana (MLE) para diferentes cortes de redshift são mostrados. O painel superior mostra os fatores de Bayes, com azul indicando preferência por paisagem temporal e vermelho paraCDM, e branco para nenhum dos dois. Os gráficos subsequentes mostram estimativas dos parâmetros MLE, com valores além da escala de homogeneidade estatística (SHS) marcados pela linha vertical tracejada.

Lane et al. ( 2024 ) introduziram uma noção adicional de homogeneidade estatística baseada em dados empíricos, definindo SHSde uma lei de potência ajustada ao
parâmetro degenerado. O SHS análogodefinido a partir denão produz uma convergência verdadeira para a análise de Lane et al. ( 2024 ), nem para esta análise, devido ao viés de Malmquist não ser considerado. Enquanto o SHSparece convergir abaixo , este não é o caso para cortes de redshift mais elevados. Para a reanálise apresentada na Fig.  3, encontramos SHS
 , que é 1,2maior que o valor máximo do SHS obtido a partir da função de correlação de galáxias de dois pontos (Hogg et al. 2005 ; Scrimgeour et al. 2012 ) e um pouco menor, mas dentro de 2,3do resultado determinado por Lane et al. ( 2024 ). As diferenças em relação à análise em Lane et al. ( 2024 ) derivam do levantamento da suposição gaussiana das distribuições subjacentes de
c .

Convergência do parâmetro da curva de luz $\alpha x_{\lower2pt\hbox{$\scriptstyle 1$}}$ para o modelo espacialmente plano $\Lambda$CDM em vários cortes de redshift, onde $x _{\lower2pt\hbox{$\scriptstyle 1$}}$ é o valor mediano da distribuição. Um modelo de lei de potência foi ajustado aos dados, e a faixa sombreada representa dentro de 5% do valor mediano dentro do intervalo $0,1 ≤ z_{\rm min} ≤ 0,14$, indicando quando o modelo converge. A linha pontilhada vertical representa o SHS$_\alpha$ encontrado em $z_{\rm min}= 0,054^{+0,007}_{-0,012}$. A incerteza da lei de potência é menor que a linha plotada.
Figura 3.

A convergência do

parâmetro de curva de luz para o espacialmente planoModelo CDM em vários cortes de redshift, onde
é o valor mediano da distribuição. Um modelo de lei de potência foi ajustado aos dados, e a faixa sombreada representa dentro de 5% do valor mediano dentro do intervaloindicando quando o modelo converge. A linha pontilhada vertical representa o SHSencontrado em
 . A incerteza da lei de potência é menor que a linha plotada.

A análise bayesiana pode ser usada para encontrar o MLE dos parâmetros, incluindo o único parâmetro cosmológico livre. Paracortes além do SHS , (  ), paraCDM encontramos

No caso do escape temporal, encontramos uma fração vazia de,
valor também está dentro de 2de valores independentes previstos a partir do espectro de potência do Planck CMB,
(Duley, Nazer & Wiltshire 2013 ); e bem dentro de 1de fortes relações de distância de lentes gravitacionais,
com variação
cortes seguindo Dam et al. ( 2017 ), Lane et al. ( 2024 ). Para evitar a degeneração subjacente entre
e
 , nós consertamos
para ambos os modelos como um parâmetro incômodo. 7 Além disso, embora os valores dos parâmetros individuais sejam diferentes entre os dois métodos estatísticos, o módulo de distância de Tripp, , muda em média apenas
 . Essa variação é observada quando se comparam os valores medianos de
c na metodologia Tripp, aos valores de ajuste da distribuição gaussiana geral.

A mudança emA diferença entre este trabalho e Lane et al. ( 2024 ) não é, portanto, estatisticamente significativa neste regime. No entanto, espera-se que diferenças na distribuição anterior causem diferenças nos parâmetros ajustados. Esse comportamento será investigado mais detalhadamente para estatísticas de supernovas baseadas em distribuições assimétricas e não gaussianas em trabalhos futuros (em preparação).

Nos feixes com método de correção de polarização (Kessler & Scolnic 2017 ), uma correção do hospedeiro da galáxia é introduzida com um parâmetro adicional, , definido pelo passo de massa

(7)

Examinámos a inclusão deste termo, mas descobrimos que não afeta as conclusões do fator de Bayes, com um deslocamento médio decomparado ao valor não corrigido. Além disso, o custo estatístico da introdução de parâmetros livres adicionais pode ser avaliado pela estatística relativa do Critério de Informação Bayesiano (BIC) (Schwarz 1978 ; Kass & Raftery 1995 ).para k parâmetros livres, um tamanho de amostra, N e probabilidade Z. Descobrimos que, independentemente da cosmologia, o modelo com um passo de massa é fortemente desfavorecido em relação ao modelo de Tripp não corrigido, comno . Além disso, não há alteração significativa no valor do parâmetro cosmológico, com

4 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

Realizamos uma nova análise estatística bayesiana no Panteãoconjunto de dados de supernovas, representando o não-gaussiano
e características c das distribuições de parâmetros de supernovas. A evidência bayesiana fornece evidências muito fortes a fortes para o modelo de paisagem temporal no regime de baixo desvio para o vermelho. Este resultado do universo tardio poderia ser esperado, visto que os modelos de paisagem temporal levam em conta a expansão diferencial não cinemática em escalasonde a estrutura local não homogênea da nossa teia cósmica próxima mais impacta as medições. Por outro lado, para amostras fortemente ponderadas por SNe Ia no regime de calibração doModelo CDM (

Nossa nova análise faz menos suposições sobre qualquer distribuição estatística específica dos dados. Especificamente, a função de verossimilhança é construída diretamente a partir da
e valores de c obtidos usando o algoritmo SALT2 – valores empregados na maioria das análises de SNe Ia. Os dados empíricos de SNe Ia obtidos por meio do ajuste SALT2 independente de cosmologia favorecem fortemente o modelo de paisagem temporal em relação aMDL.

Quaisquer vieses astrofísicos ou ambientais provavelmente impactariam ambos os modelos cosmológicos. Assim, a forte preferência pela paisagem temporal exigiria uma combinação extremamente sutil de tais vieses para que esta fosse sua causa principal. O maior erro sistemático no PanteãoA análise é a padronização da mistura heterogênea de curvas de luz de amostra de baixa impedância (Abbott et al. 2024 ; Lane et al. 2024 ). Melhorias futuras com a nova amostra DES5yr (Abbott et al. 2024 ) permitirão uma seleção mais homogênea e cuidadosa da amostra de baixa impedância . No entanto, nesta Carta, nos concentramos no impacto do novo método estatístico na seleção de modelos cosmológicos e, portanto, usamos os mesmos dados de Lane et al .

Como o timescape tem o mesmo número de parâmetros livres que o espacialmente planoNo MDL, a evidência bayesiana oferece a melhor comparação. Para expandir nossos resultados e incluir outros modelos cosmológicos alternativos populares do tipo FLRW, que contêm mais parâmetros, por exemplo, no MDL, determinamos a estatística BIC (Schwarz 1978 ; Kass & Raftery 1995 ) para uma comparação justa dos modelos. Para a amostra completa, descobrimos que, em relação ao cenário temporalOs modelos CDM com curvatura FLRW são fortemente desfavorecidos com , enquanto o CDM também é fortemente desfavorecido com .

Os resultados apresentados nesta Carta indicam que a cosmologia da paisagem temporal não é apenas uma candidata viável àEstrutura CDM, mas também pode fornecer novos insights para a astrofísica da modelagem de SNe Ia. A evolução média não-FLRW do Timescape revela degenerações entre parâmetros cosmológicos e parâmetros empíricos do modelo SNe Ia que já foram parcialmente descobertas em trabalhos anteriores (Dam et al. 2017 ), mas que são marcantes com o Pantheon. , conforme demonstrado por Lane et al. ( 2024 ) e a presente Carta.

Independentemente de qual modelo cosmológico se tornará o padrão no futuro, explorar mais de um modelo é importante. De fato, a estrutura de paisagem temporal é consistente com novas análises de estatísticas de vazios em simulações de relatividade numérica usando as equações completas de Einstein (Williams et al. 2024 ). Estas são consistentes com uma curvatura espacial cinética emergente de vazios em pequenas escalas. Ainda há muito a ser feito na calibração da fração de matéria escura, da velocidade do som primordial e da escala BAO. No entanto, novos resultados provavelmente fornecerão uma estrutura robusta para isso (Galoppo & Wiltshire 2024 ; Galoppo, Re & Wiltshire 2024 ).

Nossos resultados implicam consequências profundas para a cosmologia e a astrofísica. De fato, uma preferência pela cosmologia de paisagem temporal em detrimento das cosmologias FLRW padrão pode apontar para a necessidade de revisão dos fundamentos da cosmologia teórica, tanto ontológica quanto epistemologicamente, para melhor compreender as inomogeneidades e sua reação à evolução média do Universo.

AGRADECIMENTOS

DLW, RRH e ZGL são apoiados pelo Fundo Marsden administrado pela Royal Society of New Zealand, Te Apārangi sob bolsas M1271 e M1255. RRH também é apoiado pela Bolsa de Pós-Doutorado da Fundação Rutherford RFT-UOC2203-PD. Somos gratos ao revisor anônimo de Lane et al. ( 2024 ) por sugerir a estrutura de análise. Também agradecemos ao revisor anônimo desta Carta por seus comentários construtivos e perspicazes. Agradecemos a todos os membros dos grupos de Gravidade, Cosmologia e Astrofísica da Universidade de Canterbury por estimularem as discussões, particularmente: John Forbes, Christopher Harvey-Hawes, Morag Hills, Emma Johnson, Shreyas Tiruvaskar, Michael Williams e Manon van Zyl. Finalmente, gostaríamos de agradecer a Elena Moltchanova por seus preciosos insights sobre os métodos estatísticos empregados.

DISPONIBILIDADE DE DADOS

Um conjunto completo de códigos e detalhes usados para nossa análise e como usá-los pode ser encontrado em Seifert & Lane ( 2023 ), e os arquivos de covariância e entrada são disponibilizados em Lane & Seifert ( 2024 ).

Notas de rodapé

1

Para o Panteão , Scolnic et al. ( 2022 ) adotam valores dee , respectivamente, para seu ajuste nominal.

2

Veja Dam et al. ( 2017 , apêndice A) para comparações detalhadas de cálculos de distância de luminosidade nos modelos de paisagem temporal e FLRW.

3

A principal pequena diferença ocorre no viés geométrico homogêneo de Eddington (McKay 2016 ), o que leva ao potencial para testes futuros.

4

Este é o regime além do qual se supõe que a homogeneidade média e a isotropia se aplicam a todas as observações. Hogg et al. ( 2005 ); Scrimgeour et al. ( 2012 ) consideram este intervalo como(correspondendo a uma faixa de desvio para o vermelho de aproximadamente 0,023–0,04).

5

O valor de Lane et al. ( 2024 )é maior do que outras estimativas e, portanto, fornece um limite superior robusto para o SHS.

6

OeOs valores relatados por Scolnic et al. ( 2022 ) e Lane et al. ( 2024 ) são derivados em vários estágios do pipeline de ajuste cosmológico e são influenciados pela subamostra específica usada (Lane et al. 2024 ). Quaisquer pequenas diferenças nos parâmetros cosmológicos podem ser atribuídas a essas variações metodológicas e à omissão de correções de viés dependentes da cosmologia.

7

As contribuições relativas da incerteza constante de Hubble e da incerteza de magnitude absoluta, respectivamentee , propagar de acordo com

Isto torna as duas contribuições impossíveis de desvendar e explica a incerteza maior, , em relação às incertezas em outros parâmetros do ajuste (ver Fig.  1 ).

8

Uma razão adicional para não incluir correções de galáxias hospedeiras é a observação de queO parâmetro exibe comportamento inconsistente em diferentes cortes de redshift para uma função de passo de massa simples. Essa inconsistência provavelmente surge das subamostras heterogêneas de dados de baixa impedância (z) , comoé bem restrito em uma amostra estatisticamente mais homogênea. É possível, mas menos provável, que essas flutuações surjam de outros fatores astrofísicos explorados pela equipe do DES5yr e por estudos recentes (Dixon et al. 2024 ), mas estes estão além do escopo desta Carta.

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