[論文レビュー] Astrophysical constraints on hypothetical variability of fundamental constants

S. A. Levshakov|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2003

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、高分解能VLT/UVESデータを用いた修正版多数多重（MM）法を適用し、クェーサーHE 0515–4414およびQ 0347–3818におけるH₂吸収線を用いて、基礎定数の変動に関する宇宙物理学的制約を再評価する。z = 1.149におけるΔα/α = (1.1 ± 1.1) × 10⁻⁵およびz = 3.025におけるΔln μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵を報告し、|ℛ| > 6の大きな結合係数を除外する。今後HARPSを用いた測定で10⁻⁶レベルの感度に到達するには、波長精度が0.2 mÅ未満である必要があることが示唆される。

ABSTRACT

(Abridged) Many-multiplet (MM) method applied to three inhomogeneous samples of Keck/HIRES quasar absorption spectra gives a shift in the value of the fine-structure constant of Delta alpha/alpha = (-5.4+/-1.2) 10^{-6} in the redshift range 0.2 < z < 3.7 (Murphy et al. 2003).The 1sigma error is, however, much too small and cannot be maintained by current observations of quasars. We present a modified MM method to set an upper limit on Delta alpha/alpha from a homogeneous sample of FeII lines identified in the up-to-date best quality VLT/UVES spectrum of HE 0515-4414. Our result is Delta alpha/alpha = (1.1+/-1.1) 10^{-5} at z = 1.149. Theoretical models of the fundamental physical interactions predict that the proton-to-electron mass ratio (mu = m_p/m_e) may relate to the shift in Delta alpha/alpha as Delta mu/mu = R Delta alpha/alpha. We use VLT/UVES high-resolution observations of molecular hydrogen H2 ultraviolet absorption lines at z = 3.025 toward Q 0347-3818 to bound the value of R. The obtained constraints on Delta ln mu = (2.1+/-3.6) 10^{-5} and on Delta ln alpha = (1.1+/-1.1) 10^{-5} rule out vary large values of |R| > 6.

研究の動機と目的

• Keck/HIRESデータから報告されたΔα/α ≈ –5.4×10⁻⁶の信頼性を再評価すること。これは、疑わしい誤差推定に依存している。
• 一様なサンプルの孤立・不飽和Fe ii線を用いることで、統計的頑健性を向上させる修正版多数多重（MM）法を開発すること。
• z = 3.025におけるQ 0347–3818スペクトルの紫外H₂吸収線を分析し、陽子対電子質量比μの制約を求める。
• 理論的モデルが予測するΔμ/μ = ℛ Δα/αを、異なる赤方偏移におけるΔα/αおよびΔμ/μの制約を比較することで検証すること。
• 今後のHARPSのような機器を用いた10⁻⁶レベルの精度でのΔα/α測定の可能性を評価すること。

提案手法

• クェーサーHE 0515–4414のVLT/UVESスペクトルから、z = 1.149における一様なサンプルの孤立・不飽和Fe ii線を用いた修正版多数多重（MM）法を適用する。
• 観測赤方偏移と理論的感度係数K_iとの間の線形回帰を用い、Δα/αを導出する。これにより、不均一な条件に起因する系統誤差を最小限に抑える。
• z = 3.025におけるQ 0347–3818スペクトルのH₂分子線を分析し、回転遷移（J=1,2,3）の赤方偏移を用いて、K_μに線形依存する形でΔμ/μを推定する。
• 一貫性のない速度シフトを示したJ=3線を回帰から除外し、Δμ/μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵（95%信頼区間）を得る。
• 宇宙論的モデル（Ω_M=0.3, Ω_Λ=0.7, H₀=72 km s⁻¹ Mpc⁻¹）を用いて、Δμ/μを変化率|ḋμ/μ| < 5×10⁻¹⁵ yr⁻¹に変換する。
• HARPS分光計（λ/Δλ = 120,000）の今後の可能性を評価し、σ_λ ≈ 0.2 mÅの波長精度を達成することで、10⁻⁶レベルのΔα/α測定が可能になることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の波長測定精度を考慮すると、Keck/HIRESデータから報告されたΔα/α = (–5.4 ± 1.2) × 10⁻⁶は統計的に正当化されているか？
• RQ2 一様なサンプルの孤立・不飽和Fe ii線を用いることで、修正版MM法が系統誤差を低減できるか？
• RQ3 z = 3.025におけるQ 0347–3818スペクトルの高分解能H₂吸収線から、Δμ/μにどのような制約を課すことができるか？
• RQ4 異なる赤方偏移における測定されたΔα/αおよびΔμ/μの値は、関係式Δμ/μ = ℛ Δα/αにおける|ℛ|が非常に大きな値であることを除外するか？
• RQ5 今後のHARPSのような機器は、10⁻⁶レベルのΔα/α測定に必要な0.2 mÅ未満の波長精度を達成できるか？

主な発見

• VLT/UVESスペクトルのFe ii線に修正版MM法を適用した結果、z = 1.149におけるΔα/α = (1.1 ± 1.1) × 10⁻⁵が得られ、誤差は現在の波長測定精度と整合的である。
• z = 3.025におけるH₂線分析からΔln μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵が得られ、95%信頼区間は–1.5×10⁻⁵ < Δμ/μ < 5.7×10⁻⁵である。
• Δα/α = (1.1 ± 1.1) × 10⁻⁵とΔμ/μ = (2.1 ± 3.6) × 10⁻⁵の整合性から、|ℛ| > 6の非常に大きな値は除外される。
• Jが増加するに従いH₂線の速度シフトの傾向が観測されたことから、系統誤差の可能性が示唆され、結果としてJ=3線が回帰から除外された。
• Δα/αの10⁻⁶レベルの精度を達成するには、0.2 mÅ未満の波長精度が必要であり、現在の大型望遠鏡では達成不可能だが、HARPSでは実現可能である。
• 本研究は、今後のHARPS観測が、10⁻⁶レベルでのΔα/αの測定に不可欠なテストを提供する可能性があると結論づける。