[論文レビュー] Can Dust Segregation Mimic a Cosmological Constant?

Jakob T. Simonsen, Steen Hannestad|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、標準的ほこりよりも光を減らしにくい「グレーほこり」が、遠方のIa型超新星の観測された減光を模倣するのを助ける可能性があるかどうかを調査している。高赤方偏移銀河からのほこり粒子の放出を模擬した数値シミュレーションの結果、棒状または非球形の粒子は、赤化を引き起こすほこりを同時に放出しない限り選択的に放出されないことが判明した。したがって、グレーほこりは、粒子が大きく球形である場合を除き、宇宙定数の代わりに説明するには不自然である。

ABSTRACT

Recent measurements of type Ia supernovae indicate that distant supernovae are substantially fainter than expected from the standard flat cold dark matter model. One possible explanation is that the energy density in our universe is in fact dominated by a cosmological constant. Another possible solution is that there are large amounts of grey dust in the intergalactic medium. Dust grains can be grey either because they are non-spherical or very large. We have numerically investigated whether grey dust can be emitted from high redshift galaxies without also emitting standard, reddening dust, which would have been visible in the spectra of high redshift objects. Our finding is that grain velocities are almost independent of ellipticity so that if greyness are due to the grains being elongated, it will not be possible to separate grey dust from ordinary dust. We also find that velocities are fairly independent of grain size, but we cannot rule out possible sputtering of small grains, so that large, grey dust grains could be preferentially emitted. Therefore, our conclusion is that grey dust is an unlikely explanation of the data, but we cannot rule it out if the grey dust consists of large, spherical grains.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移Ia型超新星の観測された減光を、宇宙定数を導入することなく、銀間空間に存在するグレーほこりが説明できるかどうかを調査すること。
• このようなグレーほこりが、併存する赤化を引き起こす標準的ほこりを同時に放出しないように、高赤方偏移銀河から選択的に放出可能かどうかを評価すること。
• 非球形または大きな粒子形状を持つグレーほこりが、銀河から選択的に放出可能となる物理的条件を特定すること。
• 粒子の速度とサイズが、ダークエネルギーの代わりにほこりの分離が成立するかを決定する役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• さまざまな物理的条件下で高赤方偏移銀河からのほこり粒子の放出をモデル化するために、数値シミュレーションが用いられた。
• 粒子のサイズと形状（球形対非球形）に応じた粒子速度の関数として計算され、幾何学的および質量的依存性が評価された。
• 非球形粒子（例：棒状）が、同時に標準的赤化ほこりを放出しないで放出可能かどうかを、スペクトルで検出可能なかを検討した。
• 小粒の粒子に対するスパッタリングの影響を検討し、時間の経過とともに大きなグレー粒子が優先的に放出される可能性を評価した。
• 得られたほこり集団が、赤化に関する観測的制約に反しない範囲で、観測された超新星の減光を引き起こせるかどうかに焦点を当てた。
• 結果は、Ia型超新星の観測データおよび高赤方偏移天体のスペクトルからの制約と比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移銀河から、標準的で赤化を引き起こすほこりがスペクトルで検出可能な状態でない限り、グレーほこり粒子が放出可能かどうか。
• RQ2 ほこり粒子の形状（例：棒状）が、その放出速度に顕著な影響を与え、グレーほこりの選択的放出を可能にするかどうか。
• RQ3 粒子のサイズが、放出速度および大きなグレー粒子の優先的放出の可能性にどの程度影響を与えるか。
• RQ4 スパッタリングプロセスが、小粒を優先的に除去し、残った大きなグレー粒子が宇宙定数を模倣できるかどうか。
• RQ5 ほこりの分離が、宇宙定数を必要とせずに観測された超新星の減光を生じさせることに物理的に妥当かどうか。

主な発見

• 粒子速度は粒子の楕円度にほぼ依存しないため、非球形粒子は、赤化を引き起こすほこりを同時に放出しない限り、選択的に放出されない。
• 粒子速度は粒子サイズに対して弱い依存性を示すため、サイズそのものではグレーほこりの選択的放出が可能でない。
• 小粒のスパッタリングは否定できないため、時間の経過とともに大きなグレー粒子が優先的に放出される可能性がある。
• 大きな球形のグレーほこり粒子の選択的放出は、理論的に可能であり、宇宙定数を模倣する可能性を有する。
• しかし、非球形または棒状の粒子では、グレーほこりの放出が必然的に検出可能な赤化ほこりを伴うため、観測的に整合しない。
• 結論として、グレーほこりは完全に除外できないが、粒子が大きく球形である場合を除き、超新星データの説明としては不自然である。