[論文レビュー] Geometrical tests of cosmological models. I. Probing dark energy using the kinematics of high redshift galaxies

C. Marinoni, A. Saintonge+7 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Oct 3, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 56被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、高赤方偏移回転銀河の運動学的特性——特に円盤サイズと回転速度の相関関係——を標準ロッドとして用い、角度直径距離テストにより暗黒エネルギーを探索することを提案する。高分解能分光法とハッブル宇宙望遠鏡（HST）画像を組み合わせることで、サイズ-速度関係に40%の散らばりがあっても、$0 < z < 1.4$ の範囲で $w$ の方程式状態パラメータを20%の精度で制約可能であり、線形的円盤進化の影響をバイアスなしに診断できる。

ABSTRACT

We suggest to use the observationally measured and theoretically justified correlation between size and rotational velocity of galactic discs as a viable method to select a set of high redshift standard rods which may be used to explore the dark energy content of the universe via the classical angular-diameter test. Here we explore a new strategy for an optimal implementation of this test. We propose to use the rotation speed of high redshift galaxies as a standard size indicator and show how high resolution multi-object spectroscopy and ACS/HST high quality spatial images, may be combined to measure the amplitude of the dark energy density parameter, or to constrain the cosmic equation of state parameter for a smooth dark energy component. We evaluate how systematics may affect the proposed tests, and find that a linear standard rod evolution, causing galaxy dimensions to be up to 30% smaller at z=1.5, can be uniquely diagnosed, and will minimally bias the confidence level contours in the [Omega_Q, w] plane. Finally, we show how to derive, without a priori knowing the specific functional form of disc evolution, a cosmology-evolution diagram with which it is possible to establish a mapping between different cosmological models and the amount of galaxy disc/luminosity evolution expected at a given redshift.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移回転銀河を標準ロッドとして用いる新しい幾何的テストを考案すること。
• 円盤銀河のサイズ-速度相関を活用することで、従来の暗黒エネルギー探査法の限界を克服すること。
• 銀河円盤の進化といった系誤差が角度直径距離テストに与える影響の頑健性を評価すること。
• 特定の関数形を仮定せずに、宇宙論的モデルと期待される円盤／明るさの進化をマッピングする宇宙論-進化図を構築すること。
• 現実的な観測的散らばりと進化効果が存在する中でも、最小限の事前分布で $w$ と $\Omega_Q$ の制約を可能とすること。

提案手法

• 銀河円盤サイズと回転速度の間の経験的相関関係を標準ロッドのキャリブレーションに用いる。
• 高分解能マルチオブジェクト分光法により回転速度 $V$ を測定し、ACS/HST 画像により高赤方偏移における角度直径 $\theta$ を測定する。
• 角度直径距離テストを適用：$\theta = L(z, \Omega) / d_A(z)$、ここで $d_A$ は宇宙論的パラメータに依存する角度直径距離である。
• 統計的パワーを確保するため、$0 < z < 1.4$ の範囲で $V = 200 \pm 20$ km/s の高赤方偏移回転銀河約1300個のファидーシャルサンプルを用いる。
• 線形的円盤進化（$z=1.5$ で最大30%のサイズ減少）などの潜在的系誤差をモデル化し、それらが独立に診断可能であることを示す。
• 宇宙論的モデルと期待される円盤進化をマッピングする宇宙論-進化図を導出する。これにより、関数形を仮定しないまま同時制約が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移円盤銀河のサイズ-速度相関関係は、宇宙論的距離測定のための信頼できる標準ロッドとして利用可能か？
• RQ2 銀河円盤の進化が、暗黒エネルギーの制約に向けた角度直径距離テストにどの程度バイアスを及えるか？
• RQ3 サイズ-速度関係に現実的な散らばりがある状況下で、この手法により方程式状態パラメータ $w$ をどの程度の精度で制約できるか？
• RQ4 宇宙論-進化図を用いることで、関数形を仮定しないまま、宇宙論的パラメータと銀河進化効果を分離可能か？
• RQ5 円盤進化による系誤差がどの程度になると、このテストによる暗黒エネルギーの検出が損なわれるか？

主な発見

• $0 < z < 1.4$ の範囲で1平方度の領域に、$V = 200 \pm 20$ km/s の高赤方偏移回転銀河約1300個が期待され、それが強固な宇宙論的制約に十分な統計的パワーを提供する。
• サイズ-速度キャリブレーションに40%の散らばりがあっても、事前分布を用いずに $[\Omega_m, \Omega_Q]$ 平面上で $w$ の方程式状態パラメータを20%の精度で制約可能である。
• $z=1.5$ で最大30%のサイズ減少を引き起こす線形的円盤進化は、一意に診断可能であり、$[\Omega_Q, w]$ の信頼領域に最小限のバイアスを及える。
• 角度直径距離テストは頑健性を保つ：実際の散らばりを伴うデータに進化を適用しても、ファイドーシャル $[\Omega_Q, w]$ の点は1$\sigma$誤差領域内に位置する。
• 宇宙論-進化図により、円盤進化が $ar{z}=1.5$ で30%未満の精度で既知であれば、エインシュタイン＝ド・サイト宇宙（$\Omega_m=1$）と平坦な $\Lambda$CDM モデル（$\Omega_m=0.3, \Omega_Q=0.7$）を幾何学的に区別可能である。
• この手法は進化効果に対して最小限に敏感であり、円盤進化以外の系誤差がテストをバイアスすることはない。円盤進化は独立に診断可能である。