[論文レビュー] Estimation of the Hubble Constant and Constraint on Descriptions of Dark Energy

L. J. Greenhill, E. M. L. Humphreys+7 more|ArXiv.org|Feb 24, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、非常に長基線干渉計測（VLBI）を用いて降着円盤をマッピングし、幾何的距離を導出することで、銀河核内の水メーザー放射を用いてハッブル定数（H₀）を直接1%の精度で測定する手法を提案する。0.02 < z < 0.06 の範囲に5つの実用的対象が同定され、地上のアンテナアレイの強化および宇宙VLBI（例：VSOP-2）を活用することで、3–4倍の長い基線と約5倍の距離不確実性の改善が可能となり、ダークエネルギーおよび曲率の制約が厳しくなることが示唆される。

ABSTRACT

Joint analysis of Cosmic Microwave Background, Baryon Acoustic Oscillation, and supernova data has enabled precision estimation of cosmological parameters. New programs will push to 1% uncertainty in the dark energy equation of state and tightened constraint on curvature, requiring close attention to systematics. Direct 1% measurement of the Hubble constant (H0) would provide a new constraint. It can be obtained without overlapping systematics directly from recessional velocities and geometric distance estimates for galaxies via the mapping of water maser emission that traces the accretion disks of nuclear black holes. We identify redshifts 0.020.02, out of ~100 known masers. A single-dish discovery survey of &gt;10,000 nuclei (&gt;2500 hours on the GBT) would build a sample of tens of potential distance anchors. Beyond 2020, a high-frequency SKA could provide larger maser samples, enabling estimation of H0 from individually less accurate distances, and possibly without the need for peculiar motion corrections.

研究の動機と目的

• 水メーザー放射を用いた幾何的距離を用いて、ハッブル定数（H₀）を直接1%の精度で測定すること。
• CMB、BAO、超新星データとは相関のない独立したH₀推定値を提供することで、ダークエネルギーおよび曲率の制約における系制度を低減すること。
• マッピングが最も効果的となるように、赤方偏移 0.02 < z < 0.06 の銀河を特定・標的化すること。
• 地上の50–100mアンテナと宇宙VLBI（例：VSOP-2）を含む強化されたVLBIシステムにより、距離不確実性を5倍改善すること。
• 高周波数のSKAを用いた大規模メーザー調査により、特異速度補正なしに将来的にH₀を推定可能とすること。

提案手法

• 核にあるブラックホールの降着円盤内の水メーザー放射を、ミリ秒角未満の分解能を持つ非常に長基線干渉計測（VLBI）でマッピングする。
• メーザー線プロファイルから径方向速度と幾何的距離を測定する。これには、約3 mJy-km/sの感度と1分未満の検出時間が必要である。
• EVLA、GBT、Effelsberg、LMTなどの地上50–100mアンテナを22 GHz受信機およびVLBI装置と併用し、基線分解能を向上させる。
• 日本主導のVSOP-2ミッション（計画的打ち上げは約2013年）への米国参加を提案し、現在の地上VLBIに比べ3–4倍の長い基線と約5倍の距離不確実性の改善を実現する。
• GBT（2500時間以上）を用いて10,000個以上の銀河核を対象とした単一アンテナ調査を実施し、数十の新たなメーザー距離アンカーを同定する。
• 将来的に高周波数のパラセレクト・キロメートルアレイ（SKA）を用いた大規模メーザー調査が、特異速度補正なしにH₀を推定可能とすることを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水メーザー放射を用いた幾何的距離から、ハッブル定数を直接1%の精度で測定可能か？
• RQ2 VLBI技術をどのように最適化すれば、ミリ秒角未満の分解能と、1分未満で弱いメーザー線を検出できる十分な感度を達成できるか？
• RQ3 メーザー距離測定を用いたH₀推定において、系制度を最小限に抑える最適な赤方偏移範囲は何か？
• RQ4 宇宙VLBI（例：VSOP-2）は、地上VLBIに比べて距離不確実性をどの程度改善できるか？
• RQ5 将来的な大規模メーザー調査（例：SKAを用いて）は、H₀推定における特異速度補正の必要性をどの程度低減できるか？

主な発見

• 赤方偏移 0.02 < z < 0.06 の範囲に、すでに5つの高品質な水メーザー対象が存在し、少数のサンプルでH₀推定が可能である。
• GBTを用いて10,000個以上の銀河核を2500時間以上にわたり単一アンテナ調査すれば、数十の新たな距離アンカーが得られる可能性がある。
• 22 GHz受信機およびVLBI機能を備えた地上50–100mアンテナは、メーザーマッピングの基線分解能と感度を顕著に向上させることができる。
• VSOP-2ミッションにより、現在の地上VLBIに比べ3–4倍の長い基線と約5倍の距離不確実性の改善が達成される。
• 将来的に高周波数のSKA調査により、大規模で個々には精度のやや低いメーザーサンプルからもH₀推定が可能となり、特異速度補正の必要性を回避できる可能性がある。
• 提案手法により、系制度のないH₀測定が可能となり、既存の宇宙論的プローブと補完的かつ、ダークエネルギーおよび曲率の制約を厳しくする。