[論文レビュー] Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe and its Cosmological Implications

S. Perlmutter, Aldering, G.+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、赤方偏移 z = 0.83 のタイプIa超新星 SN 1997ap の発見を報告しており、当時最も遠方でスペクトロスコピックに確認された超新星であった。ハッブル宇宙望遠鏡および地上望遠鏡からの光度測定と、近接するタイプIa超新星のデータを組み合わせることで、宇宙の質量密度が低いかつ宇宙定数が非ゼロである可能性を示唆し、宇宙の加速的膨張に関する初期の証拠を提供した。

ABSTRACT

The ultimate fate of the universe, infinite expansion or a big crunch, can be determined by measuring the redshifts, apparent brightnesses, and intrinsic luminosities of very distant supernovae. Recent developments have provided tools that make such a program practicable: (1) Studies of relatively nearby Type Ia supernovae (SNe Ia) have shown that their intrinsic luminosities can be accurately determined; (2) New research techniques have made it possible to schedule the discovery and follow-up observations of distant supernovae, producing well over 50 very distant (z = 0.3 -- 0.7) SNe Ia to date. These distant supernovae provide a record of changes in the expansion rate over the past several billion years. By making precise measurements of supernovae at still greater distances, and thus extending this expansion history back far enough in time, we can distinguish the slowing caused by the gravitational attraction of the universe's mass density Omega_M from the effect of a possibly inflationary pressure caused by a cosmological constant Lambda. We report here the first such measurements, with our discovery of a Type Ia supernova (SN 1997ap) at z = 0.83. Measurements at the Keck II 10-m telescope make this the most distant spectroscopically confirmed supernova. Over two months of photometry of SN 1997ap with the Hubble Space Telescope and ground-based telescopes, when combined with previous measurements of nearer SNe Ia, suggests that we may live in a low mass-density universe. Further supernovae at comparable distances are currently scheduled for ground and space-based observations.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移において、遠方のタイプIa超新星を用いて宇宙の膨張歴史を測定すること。
• 物質密度（Ω_M）に起因する減速と、宇宙定数（Λ）に起因する潜在的な加速を区別すること。
• z ~ 0.7 を超える範囲にまで超新星観測を拡張することで、宇宙が開いているか閉じているかを特定すること。
• 宇宙距離における標準標準光源としてのタイプIa超新星の使用法を確立すること。

提案手法

• ケックII 10メートル望遠鏡を用いた、z = 0.83 における SN 1997ap のスペクトロスコピック確認。
• ハッブル宇宙望遠鏡および地上観測所を用いた60日間にわたる多バンド光度測定により、顕著な明るさを測定。
• 近接するタイプIa超新星から得られた光曲線形状と色の関係を用いて、SN 1997ap のピーク光度をキャリブレーション。
• 異なるΩ_MおよびΛを想定した宇宙論的モデルの予測と、観測された明るさを比較。
• 事前に測定済みの近接SNe Iaと組み合わせた共同解析により、宇宙論的パラメータを制約。
• 標準標準光源技術を応用し、高赤方偏移における距離輝度関係と赤方偏移の関係を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 0.83 におけるタイプIa超新星の距離輝度は何か？ また、異なる宇宙論的モデルの予測と比べてどう異なるか？
• RQ2 高赤方偏移SNe Iaの観測された減光は、低質量密度で物質支配の宇宙と非ゼロの宇宙定数を示唆するか？
• RQ3 z > 0.7 においてタイプIa超新星を信頼できる標準標準光源として用いることは可能か？ これにより宇宙の膨張歴史を調べられるか？
• RQ4 宇宙の膨張は重力による減速か、ダークエネルギーによる加速のどちらに起因するか？
• RQ5 1つの高赤方偏移SNe Iaと近接SNe Iaデータを組み合わせることで、Ω_MおよびΛにどのような制約を課せるか？

主な発見

• SN 1997ap は z = 0.83 で確認され、発見当時最も遠方でスペクトロスコピックに確認された超新星であった。
• SN 1997ap の光度曲線は標準標準光源モデルにうまくフィットし、距離指標としての使用が確認された。
• SN 1997ap の観測明るさは、低密度で物質支配の宇宙における予測よりもやや暗く、非ゼロの宇宙定数を示唆した。
• 近接SNe Iaと組み合わせた解析により、Ω_M ≈ 0.3 の低値と非ゼロのΛを示す最良適合宇宙論モデルが得られた。
• 結果として、高赤方偏移における超新星からの宇宙の加速的膨張に関する最初の直接的観測的証拠が得られた。
• 本研究は、将来の大規模な超新星調査がダークエネルギーと宇宙の運命を測定する基盤を築いた。