[論文レビュー] Limits on the Density of Compact Objects from High Redshift Supernovae

Uroš Seljak, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、高赤方偏移のIa型超新星と重力レンズ効果を用いて、コンパクトな物体（MACHO）に占める暗黒物質の割合を制約する。N体シミュレーションとレンズ効果による増幅分布を組み合わせることで、z ~ 1における100〜400個の良好に測定されたSNeが、よく知られた宇宙論的モデルを仮定すれば、MACHO割合を20%の精度で制約できることを示している。

ABSTRACT

Due to the effects of gravitational lensing, the magnification distribution of high redshift supenovae can be a powerful discriminator between smooth dark matter and dark matter consisting of compact objects. We use high resolution N-body simulations in combination with the results of simulations with compact objects to determine the magnification distribution for a Universe with an arbitrary fraction of the dark matter in compact objects. Using these distributions we determine the number of type Ia SNe required to measure the fraction of matter in compact objects. It is possible to determine a 20% fraction of matter in compact objects with 100-400 well measured SNe at $z \sim 1$, assuming the background cosmological model is well determined.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移の超新星を用いて、コンパクトな物体（MACHO）に占める暗黒物質の最大割合を特定すること。
• コンパクトな物体による重力レンズ効果によって生じるIa型超新星の増幅分布をモデル化すること。
• MACHO割合を20%の精度で測定するために必要な超新星の数を評価すること。
• スムーズな暗黒物質と塊であるコンパクトな暗黒物質の両方が存在する状況において、超新星のレンズ効果の感度を評価すること。
• 将来の超新星調査が暗黒物質の性質を制約するための定量的予測を提供すること。

提案手法

• 大規模構造および暗黒物質分布をモデル化するため、高分解能のN体シミュレーションを実施する。
• シミュレーションにコンパクトな物体を組み込み、遠方の超新星に及ぼすレンズ効果を計算する。
• 異なるコンパクトな暗黒物質の割合の下で、高赤方偏移のIa型超新星の増幅分布を計算する。
• 得られた増幅分布を用いて、観測可能な超新星の光曲線とその統計的ずれをシミュレートする。
• スムーズな暗黒物質モデルと、顕著なMACHO成分を含むモデルを区別するための、良好に測定された超新星の数を推定する。
• レンズ信号をコンパクトな物体に特化させるために、よく決定された背景宇宙論的モデルを仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトな物体に占める暗黒物質の割合を20%の精度で制約するために、高赤方偏移のIa型超新星を最低何個必要とするか？
• RQ2 コンパクトな物体による重力レンズ効果は、遠方の超新星の観測された増幅分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 超新星データを用いて、コンパクトな暗黒物質のレンズシグナルとスムーズな暗黒物質のレンズシグナルを区別できるか？
• RQ4 さまざまな赤方偏移において、超新星の増幅はコンパクトな暗黒物質の割合にどの程度感度を示すか？
• RQ5 z ~ 1における観測された超新星の数が増えるに従って、MACHO割合の測定精度はどのように変化するか？

主な発見

• 赤方偏移z ~ 1における100〜400個の良好に測定されたIa型超新星があれば、コンパクトな物体に占める暗黒物質の割合を20%の精度で制約できる。
• 高赤方偏移の超新星の増幅分布は、コンパクトな物体によるレンズ効果によって顕著に変化し、暗黒物質構造の感受性の高いプローブとなる。
• この手法は、スムーズな暗黒物質とコンパクトな物体を含む混合モデルとの間の増幅パターンの統計的差に依存している。
• 制約の精度は、仮定された背景宇宙論的モデルの正確さに強く依存する。
• 結果は、将来の超新星調査が、特にMACHO仮説に関して、競争力のある制約を提供できることを示している。
• 本研究は、MACHO割合の測定精度を所定の水準に達させるために必要な超新星の数について、定量的な予測を確立した。