[論文レビュー] A case for nucleosynthesis in slowly evolving models

Geetanjali Sethi, Pranav Kumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、線形に増加するスケール因子（a(t) ∼ t）を有するゆっくりと進化するフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）宇宙における宇宙初期核合成が、観測された原始的ヘリウム4および低金属量環境を自然に生成できることを提案する。低金属量で高エネルギーの粒子ビームにおけるスパラレーション反応によりデューランが生成されることで、Epstein らの『不可能』制約を回避し、標準的ビッグバン核合成（SBBN）の代替として、ヘリウムおよび金属量の生成が一貫する代替モデルを提示する。

ABSTRACT

We present a case for Cosmological Nucleosynthesis in an FRW universe in which the scale factor expands linearly with time: $a(t) \sim t$. It is demonstrated that adequate amount of $^4He$ requires a baryon density that saturates mass bounds from galactic clusters. There is a collataral metallicity production that is quite close to the lowest metallicity observed in metal poor Pop II stars and clouds. On the other hand, sites for incipient low metallicity (Pop II) starformation can support environments conducive to Deuterium production up to levels observed in the universe. A profile of a revised ``Standard Cosmology'' is outlined.

研究の動機と目的

• 標準的ビッグバン核合成（SBBN）のみが原始的軽元素を生成できるという仮定に挑戦すること。
• 特にクェーサーやHII銀河のような金属量が低い系で観測された低ヘリウム4含有量の不一致を解消すること。
• ゆっくりと進化する宇宙論的モデルにおける核合成が、観測された重水素およびリチウム含有量を自然に説明できるかどうかを検討すること。
• 低金属量で高エネルギーの粒子環境においてスパラレーション反応による重水素生成のメカニズムを提示し、Epstein らの『不可能』制約を回避すること。
• 線形コasting宇宙論（a(t) ∼ t）が、Pop III星を必要とせずに観測された⁴Heおよび金属量レベルを再現できるかどうかを示すこと。

提案手法

• スケール因子が線形に進化するフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）モデルを採用し、a(t) ∼ t であることから、コasting的拡張率を示す。
• バリオン密度パラメータ η ≈ 7.8 × 10⁻⁹ を用いて、このモデル下での⁴Heおよび金属の核合成生成量を計算する。
• 初期の星形成領域における磁場内での粒子加速をモデル化し、⁴Heが乏しく、陽子および軽いイオンが豊富なビームを生成する。
• エネルギースペクトルを1 MeVから500 MeV/核子の範囲で使用し、低金属量環境におけるスパラレーション反応を適用して重水素およびリチウムを生成する。
• 線形モデルにおける金属量生成量を、Pop II星および金属量が低いHII銀河における観測値と比較する。
• 観測された⁴He質量分率（Yₚ ≈ 0.21–0.23）、重水素およびリチウム含有量との整合性を検証することで、モデルの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 a(t) ∼ t であるゆっくりと進化する宇宙論的モデルが、高バリオン密度を要せず、観測された原始的⁴He含有量を再現できるか？
• RQ2 低金属量で高エネルギー環境におけるスパラレーション過程を通じて、重水素が自然に生成可能か？
• RQ3 Epstein らの『不可能』制約（⁴He豊富な環境では顕著な重水素生成が不可能）を回避できるか？
• RQ4 Pop III星を導入しなくても、Pop II星およびHII銀河における観測された低金属量レベルを自然に説明できるか？
• RQ5 線形コastingモデルが、⁴He、重水素およびリチウム含有量に関する観測的制約と整合的か？

主な発見

• 線形コastingモデル（a(t) ∼ t）と η ≈ 7.8 × 10⁻⁹ を用いることで、⁴He質量分率は約23%に達し、観測結果と整合的である。
• モデルにおける金属量生成量は太陽の約10⁻⁵倍であり、Pop II星および金属量が低いHII銀河における最低観測金属量と一致する。
• ⁴Heが乏しいが高エネルギー粒子ビームである環境でスパラレーション反応により重水素が自然に生成可能であり、Epstein らの『不可能』制約を回避できる。
• モデルは、スパラレーションによる重水素およびリチウム生成をPop II星の初期環境で可能にすることで、Pop III星の導入を回避する。
• モデルはハッブル定数および宇宙の年齢に関する観測データと整合的であり、標準的ビッグバン核合成の代替としての妥当性を支持する。
• クェーサーやμカシオペイアAにおける低⁴He含有量は、特別な説明を要せず、自然に説明可能である。