[論文レビュー] Evidence for spatial variation of the fine structure constant

John K. Webb, Julian A. King+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2010

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、KeckおよびVLT望遠鏡のデータに基づき、微細構造定数（α）の空間的変動に関する証拠を提示している。両データは相反する傾向を示しており、Keckの方向では高赤方偏移でαが小さく、VLTの方向では大きくなっている。統合されたデータセットは、4.2-sigmaの有意水準でαに空間的デュポールが存在することを示しており、その方向は右昇径17.5 ± 0.9時間、赤緯-58 ± 9度である。このパターンを説明する顕著な系統的効果は検出されていない。

ABSTRACT

We previously reported Keck telescope observations suggesting a smaller value of the fine structure constant, alpha, at high redshift. New Very Large Telescope (VLT) data, probing a different direction in the universe, shows an inverse evolution; alpha increases at high redshift. Although the pattern could be due to as yet undetected systematic effects, with the systematics as presently understood the combined dataset fits a spatial dipole, significant at the 4.2-sigma level, in the direction right ascension 17.5 +/- 0.9 hours, declination -58 +/- 9 degrees. The independent VLT and Keck samples give consistent dipole directions and amplitudes, as do high and low redshift samples. A search for systematics, using observations duplicated at both telescopes, reveals none so far which emulate this result.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移のクェーサー吸収分光スペクトルを用いて、天の川全域における微細構造定数（α）の潜在的な空間的変動を調査すること。
• KeckとVLTの観測結果に差異が生じる原因が、機器的または系統的要因に起因するかどうかを検証すること。
• 観測されたαの傾向が、異なる赤方偏移範囲および天の方向で一貫しているかどうかを確認すること。
• αの空間的デュポールの統計的有意水準を評価し、既知の系統的要因に対してその頑健性を検証すること。

提案手法

• 高分解能のクェーサー吸収分光スペクトルをKeckおよび非常に大型望遠鏡（VLT）から分析し、原子遷移線のシフトを測定すること。
• 異なるイオン遷移の相対的赤方偏移を用いて、高赤方偏移（z > 1）におけるαの変動を推定すること。
• KeckおよびVLTのデータセットを統合し、特にデュポール非対称性を含むαの空間的パターンをテストすること。
• デュポールモデル（振幅および方向パラメータを有する）を仮定し、観測されたデュポールの有意水準を定量的に評価する統計的モデリングを実施すること。
• 重複観測データを両望遠鏡で分析することで、機器的またはキャリブレーションのアーチファクトを除外するための系統的誤差のチェックを実施すること。
• カイ二乗検定および尤度比検定を用いて、デュポールモデルを等方的およびノンモデルと比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測可能な宇宙全域にわたり、微細構造定数の空間的変動に関する証拠はあるか？
• RQ2 KeckおよびVLTのデータセットは、αの変動に関して一貫した方向的傾向を示しているか？
• RQ3 観測されたαのデュポールは、データまたは機器に隠れた系統的誤差によって説明可能か？
• RQ4 観測されたαの空間的デュポールの統計的有意水準は何か？
• RQ5 高赤方偏移および低赤方偏移のサンプルは、αの変動パターンにおいて一貫した結果を示しているか？

主な発見

• 統合されたKeckおよびVLTのデータセットは、4.2-sigmaの有意水準で微細構造定数に空間的デュポールが存在することを示している。
• デュポールの方向は、右昇径17.5 ± 0.9時間、赤緯-58 ± 9度と推定されている。
• Keckのデータは高赤方偏移でαが減少していることを示唆しているが、VLTのデータは増加していることを示しており、これはデュポールパターンと整合的である。
• 両望遠鏡の高赤方偏移および低赤方偏移のサンプルは、一貫したデュポール方向と振幅を示している。
• 両望遠鏡での重複観測を分析した結果、観測されたαの変動を説明する顕著な系統的効果は検出されなかった。
• 現在の系統的要因の分析においても、デュポールパターンは頑健に保たれており、αの変動に宇宙論的起源が関与している可能性を示唆している。