[論文レビュー] Cosmological Deuterium Abundance and the Baryon Density of the Universe

Scott Burles, David Tytler|ArXiv.org|Mar 15, 1996

Scientific Research and Discoveries被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z = 2.504 の高赤方偏移・低金属量ガス雲において、宇宙論的重水素対水素比（D/H）を高精度で測定し、以前の結果を確認するとともに、初期宇宙における原始的重水素含有量の最初の正確な決定を達成した。この結果は、宇宙におけるバリオン密度が高く、ヘリウム4およびリチウム7の含有量からの予測と矛盾しており、ヘリウム測定に系統誤差があるか、ビッグバン核合成における非標準的物理が関与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Standard big bang nucleosynthesis (BBNS) promises accurate predictions of the primordial abundances of deuterium, helium-3, helium-4 and lithium-7 as a function of a single parameter. Previous measurements have nearly always been interpreted as confirmation of the model (Copi, Schramm & Turner 1995). Here we present a measurement of the deuterium to hydrogen ratio (D/H) in a newly discovered high redshift metal-poor gas cloud at redshift $z=2.504$. This confirms our earlier measurement of D/H (Tytler, Fan & Burles 1996), and together they give the first accurate measurement of the primordial D abundance, and a ten fold improvement in the accuracy of the cosmological density of ordinary matter.This is a high density, with most ordinary matter unaccounted or dark, which is too high to agree with measurements of the primordial abundances of helium-4 and lithium-7. Since the D/H measurement is apparently simple, direct, accurate and highly sensitive, we propose that helium requires a systematic correction, and that population II stars have less than the primordial abundance of $^7$Li. Alternatively, there is no concordance between the light element abundances, and the simple model of the big bang must be incomplete and lacking physics, or wrong.

研究の動機と目的

• 金属量が低く高赤方偏移のガス雲を用いた高分解能分光法により、原始的重水素含有量を高精度で測定すること。
• 予測された軽元素含有量と観測値を比較することで、標準的ビッグバン核合成（BBNS）理論の整合性を検証すること。
• ヘリウム4およびリチウム7の予測値と観測値の間に生じる不一致を解消すること。
• 重水素から推定される高いバリオン密度が、ヘリウム4またはリチウム7の含有量測定値の見直しが必要かどうかを評価すること。
• 標準的BBNSモデルが不完全であるか、軽元素含有量を一致させるために追加の物理が必要かどうかを評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 z = 2.504 の低金属量ダムプド・ライマンアルファ系を用いた高分解能分光法により、D/H比を測定すること。
• クェーサーの吸収線を用いて、星間処理が最小限の原始的ガス雲内の重水素含有量を調査すること。
• 標準的ビッグバン核合成（BBNS）理論を応用し、D/Hをバリオン対光子比および宇宙論的バリオン密度に関連付けること。
• 得られたバリオン密度をヘリウム4およびリチウム7の含有量からの制約と比較すること。
• スペクトルデータの統計的解析により、系統誤差を最小限に抑え、過去の推定値よりも10倍の精度向上を図ること。
• D/H測定値を、初期宇宙におけるバリオン密度を直接的・正確かつ高感度に探査する手段として用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移・低金属量ガス雲における原始的重水素対水素比（D/H）の正確な値は何か？
• RQ2 測定された D/H 値から得られるバリオン密度は、ヘリウム4およびリチウム7の含有量からの予測と整合性があるか？
• RQ3 観測された軽元素含有量とBBNS予測との間に生じる不一致は、測定の系統誤差に起因するのか、それとも標準モデルの欠陥に起因するのか？
• RQ4 重水素から推定される高いバリオン密度は、観測されたヘリウム4およびリチウム7の含有量と調和することができるか？
• RQ5 初期宇宙における軽元素合成に影響を与える非標準的物理または欠落している要素の証拠はあるか？

主な発見

• z = 2.504 のガス雲における D/H 比は高精度で測定され、以前の結果を確認するとともに、原始的重水素含有量の最初の正確な決定が達成された。
• 得られたバリオン密度は、標準的ビッグバン核合成の予想よりも顕著に高く、精度が10倍向上した。
• 重水素から推定される高いバリオン密度は、観測されたヘリウム4およびリチウム7の含有量と整合しないことから、軽元素測定値間の不一致が生じていることが示された。
• この不一致は、ヘリウム4含有量の測定に系統誤差があるか、または第II星族のリチウム7が原始的レベル未満に低下している可能性を示唆している。
• あるいは、標準的ビッグバン核合成モデルが不完全であるか、観測された軽元素含有量を説明するために追加の物理が必要である可能性がある。
• D/H 測定値は、宇宙論的バリオン密度を直接的・正確かつ高感度に探査する手段として確認されたことから、初期宇宙モデルを検証する基盤となる。