[論文レビュー] Crisis in Cosmology : Observational Constraints on Omega and H_0

J. S. Bagla, Τ. Padmanabhan+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 1995

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、初期核合成、高赤方偏移対象（DLAs）、および銀河団の元素豊度から得られる観測的制約を組み合わせることで、宇宙論的パラメータ Ω₀ と H₀ をきめ細かく制約する。標準ビッグバンモデルに宇宙定数を含まないものは、事実上除外され、最小限の妥当なパラメータ空間が残り、微調整の要求によって根本的な宇宙論的危機が浮き彫りになる。

ABSTRACT

Thanks to new technology of observations and fresh inputs from particle physics, cosmology has advanced on both observational and theoretical fronts. It is therefore opportune that we take stock of the cosmological situation today and examine the observational and theoretical constraints as they are now. The bottom line in this review is that despite the availability of the cosmological constant as an extra parameter for flat Friedmann models, the allowed parameter space for such models is very small. The observations that we consider here include the ages of globular clusters, measurement of Hubble's constant, abundance of rich clusters of galaxies, fraction of mass contributed by baryons in rich clusters and abundance of high redshift objects.

研究の動機と目的

• 複数の独立した観測的制約を用いて、標準ビッグバン宇宙論的モデルの妥当性を評価すること。
• 初期核合成、高赤方偏移対象（DLAs）、および団の元素豊度からの制約を統合することで、Ω₀ と H₀ の許容可能なパラメータ空間を特定すること。
• 観測的不確実性がパラメータ空間内での宇宙論的モデルの存続に与える影響を評価すること。
• 宇宙定数を含むモデルや傾きのある初期スペクトル（n ≠ 1）を仮定することで、制約が緩和されるかどうかを検討すること。
• 現在の観測データを踏まえて、「平坦性問題」と微調整の要求が、どのような意味を持つのかを検討すること。

提案手法

• 初期核合成からの観測的バリオン対光子比を用い、ΩB h² を 0.017 から 0.02 の範囲に制約する。
• ΩB h² を銀河団におけるバリオン分率の観測的推定値と組み合わせ、測定不確実性を考慮した上で Ω₀ に制約を加える。
• 高赤方偏移におけるダムプド・ライマンアルファ系（DLAs）の元素豊度を用いて、z ≈ 2 における密度揺らぎの下限を設定する。
• プレス＝シェクター形式を用いて、質量約 10¹² M⊙ の崩壊物体の予想される数を計算し、観測された DLA の数と比較する。
• 球状星団の年齢制約（≤12 Gyr）を適用し、宇宙の年齢に対する上限を導出し、これにより Ω₀ と H₀ がさらに制限されることを示す。
• すべての制約を統合して一貫したパラメータ空間（Ω₀, H₀）を構築し、許容領域を色分けして評価し、より厳しい観測的不確実性のもとでのモデルの存続可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期核合成、高赤方偏移 DLA 豊度、および団質量関数からの制約を統合した場合、Ω₀ と H₀ の許容範囲はどのようになるか？
• RQ2 ΩB h² や団におけるバリオン分率の観測的不確実性が、許容パラメータ空間のサイズにどのように影響するか？
• RQ3 球状星団の年齢制約（≤12 Gyr）が、妥当な宇宙論的モデルにどの程度制限を加えるか？
• RQ4 宇宙定数を含むモデルは、これらの制約を満たすことができるか？また、オープンモデルや平坦モデルと比べてどう異なるか？
• RQ5 初期スペクトルが傾いている（n ≠ 1）と仮定した場合、許容パラメータ空間にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 初期核合成と団におけるバリオン分率からの制約を統合することで、(Ω₀, H₀) パラメータ空間における許容領域が制限され、許容領域は図2の曲線の左側に位置する。
• ΩB / Ω0 や ΩB h² の上限の観測不確実性を低くすることで、団の元素豊度からの制約だけではまだ生き残る領域の半分を排除できる。
• 高赤方偏移 DLA 豊度からの制約は、特に H₀ が小さい値の場合に、宇宙の年齢に対する強い上限を与える。これにより、許容パラメータ空間はさらに縮小する。
• もし球状星団の年齢が 18 Gyr を超えるならば、パラメータ空間における許容領域はほとんど完全に排除されることになり、現在のモデルと強い矛盾を示す。
• 初期核合成、DLA 豊度、団の元素豊度、および年齢制約のすべてを統合すると、図3に非常に小さな許容領域が色分けされる。クロスハッチング領域はより緩い解釈を表している。
• 標準ビッグバンモデルに宇宙定数を含まないものは、現在の観測によって事実上除外され、ΩΛ = 0 のモデルですら微調整の要求により除外される。これは、宇宙論に深刻な危機をもたらしている。