[論文レビュー] Measurements of the deuterium abundance in quasar absorption systems

Scott Burles, David Tytler|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 1998

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ひとこと要約

この論文は、高分解能・高信噪比分光法とボイチプロファイルフィッティングを用いて、高赤方偏移のクェーサー吸収系における原始的水素に対する重水素比（D/H）を測定している。z = 3.572におけるD/H = 3.3 ± 0.3 × 10⁻⁵およびz = 2.504におけるD/H = 4.0 ± 0.7 × 10⁻⁵が報告され、これらは単一の原始的値3.4 ± 0.3 × 10⁻⁵と整合的であり、標準的ビッグバン核合成と、η = 5.1 ± 0.3 × 10⁻¹⁰である均一なバリオン進化モデルを支持する。

ABSTRACT

Observational constraints on the primordial deuterium-to-hydrogen ratio (D/H) can test theories of the early universe and provide constraints on models of big bang nucleosynthesis (BBN). We measure deuterium absorption in high-redshift, metal-poor QSO absorption systems and directly infer the value of primordial D/H. We present two measurements of D/H, and find D/H = 3.3 $\pm 0.3 imes 10^{-5}$ at $z=3.572$ towards QSO 1937-1009 and D/H = 4.0 $\pm 0.7 imes 10^{-5}$ at $z=2.504$ towards QSO 1009+2956. Both measurements use multiple-component Voigt profile analysis of high resolution, high signal-to-noise spectra and determinations of the Lyman continuum optical depth in low resolution spectra to constrain the column densities of deuterium and hydrogen. The measurements are consistent with a single primordial value of D/H = $3.4 \pm 0.3 imes 10^{-5}$. This is a relatively low value, which supports homogeneous models of BBN and standard models of galactic chemical evolution. With standard BBN, we find a cosmological baryon-to-photon ratio, $η= 5.1 \pm 0.3 imes 10^{-10}$, and a present-day baryon density in units of the critical density, $Ω_b h_{100}^2 = 0.019 \pm 0.001$.

研究の動機と目的

• ビッグバン核合成（BBN）理論のテストとして、原始的水素に対する重水素比（D/H）を制約すること。
• 金属量が少なく高赤方偏移のクェーサー吸収系におけるD/Hを測定し、天体物理学的汚染を最小限に抑えること。
• 観測されたD/H値から、バリオン対光子比（η）やバリオン密度（Ω_b h²）といった宇宙論的パラメータを推定すること。
• 異なる赤方偏移および吸収系におけるD/H測定値の整合性を検証し、原始的均一性を検証すること。

提案手法

• 赤方偏移z ≈ 2.5およびz ≈ 3.6におけるクェーサー吸収系の高分解能・高信噪比分光法。
• 重水素および水素の吸収ラインをモデル化するための複数成分ボイチプロファイルフィッティング。
• 低分解能分光法を用いてランゲン連続体の光学的厚さを決定し、DおよびHの吸収量を制約する。
• DおよびHの吸収量密度を統合的に分析し、系統的誤差を最小限に抑えたD/Hの導出。
• 標準的ビッグバン核合成モデルを適用し、D/HをηやΩ_b h²といった宇宙論的パラメータに変換する。
• 統計的誤差伝播を用いて、D/Hおよび派生する宇宙論的パラメータの不確実性を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移・金属量が少ないクェーサー吸収系における原始的D/H比は何か？
• RQ2 異なるクェーサー系からのD/H測定値は、単一の原始的値と整合的か？
• RQ3 観測されたD/H値が、初期宇宙におけるバリオン対光子比（η）にどのような制約を課えるか？
• RQ4 D/H測定値は、標準的ビッグバン核合成モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ5 測定されたD/Hに基づいて、推定される宇宙論的バリオン密度（Ω_b h²）は何か？

主な発見

• QSO 1937-1009方向のz = 3.572におけるD/H比は3.3 ± 0.3 × 10⁻⁵として測定された。
• QSO 1009+2956方向のz = 2.504におけるD/H比は4.0 ± 0.7 × 10⁻⁵として測定された。
• 2つの測定値は、単一の原始的D/H値3.4 ± 0.3 × 10⁻⁵と整合的である。
• 導出されたバリオン対光子比はη = 5.1 ± 0.3 × 10⁻¹⁰である。
• 現在のバリオン密度はΩ_b h² = 0.019 ± 0.001であり、標準的BBNと整合的である。
• 結果は、ビッグバン核合成の均一モデルおよび標準的銀河化学進化モデルを支持する。