[論文レビュー] New Globular Cluster Age Estimates and Constraints on the Cosmic Equation of State and The Matter Density of the Universe

Lawrence M. Krauss, Brian Chaboyer|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、更新された距離測定値および星の進化モデルを用いて精錬された球状星団の年齢推定値を用い、宇宙論的パラメータを制約している。宇宙の年齢に対する95%信頼下限は11 Gyrであり、これは平坦で物質支配の宇宙とは矛盾するが、w < -0.4 のダークエネルギーが支配的である限り、妥当である。この結果は、超新星および幾何的データと整合する、コスモロジカル定数支配の宇宙を強く支持する。

ABSTRACT

New estimates of globular cluster distances, combined with revised ranges for input parameters in stellar evolution codes and recent estimates of the earliest redshift of cluster formation allow us to derive a new 95% confidence level lower limit on the age of the Universe of 11 Gyr. This is now definitively inconsistent with the expansion age for a flat Universe for the currently allowed range of the Hubble constant unless the cosmic equation of state is dominated by a component that violates the strong energy condition. This solidifies the case for a dark energy-dominated universe, complementing supernova data and direct measurements of the geometry and matter density in the Universe. The best-fit age is consistent with a cosmological constant-dominated (w=pressure/energy density = -1) universe. For the Hubble Key project best fit value of the Hubble Constant our age limits yields the constraints w &lt; -0.4 and Omega_matter &lt; 0.38 at the 68 % confidence level, and w &lt; -0.26 and Omega_matter &lt; 0.58 at the 95 % confidence level.

研究の動機と目的

• 更新された距離測定値および星の進化パラメータを用いて、球状星団の年齢推定値を改善すること。
• 得られた年齢が平坦なフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー宇宙における宇宙膨張年齢と整合するかを検証すること。
• 球状星団からの年齢制限を用いて、宇宙の状態方程式（w）および物質密度（Ω_matter）を制約すること。
• 超新星および幾何測定と補完的に、宇宙におけるダークエネルギー支配の独立した証拠を提供すること。
• 最新のハッブル定数および初期の集団形成赤方偏移推定値を用いて、宇宙論的制約を精錬すること。

提案手法

• 更新された光度測定およびパララックスデータを用いた、改訂された球状星団距離推定値を活用した。
• 金属量や対流長さなどの改良された入力パラメータを用いた更新された星の進化コードを適用し、集団の年齢を計算した。
• 集団形成の最も初期の観測赤方偏移（z ≈ 10–15）を組み込み、宇宙の年齢に対する下限を設定した。
• ハッブル・キープロジェクトから得られたハッブル定数（H₀）と年齢制限を組み合わせ、w および Ω_matter の制約を計算した。
• 頻度主義的信頼区間を用いて、w および Ω_matter の68%および95%信頼水準の境界を導出した。
• 状態方程式 w = p/ρ が一定であるという仮定の下で、平坦宇宙との整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状星団の年齢に基づいて、宇宙の年齢に対する95%信頼下限は何か？
• RQ2 更新された球状星団の年齢推定値は、平坦宇宙における宇宙の状態方程式（w）をどのように制約するか？
• RQ3 年齢制限は、物質支配の平坦なフレリッドマン＝ロバートソン＝ウォーカー宇宙とどの程度矛盾するか？
• RQ4 年齢制限は、68%および95%信頼水準で物質密度（Ω_matter）にどのような制約を課すか？
• RQ5 これらの年齢に基づく制約は、超新星観測および直接的な幾何的測定と比べてどう異なるか？

主な発見

• 更新された球状星団の年齢推定値に基づき、宇宙の年齢に対する95%信頼下限は11 Gyrである。
• この年齢制限は、平坦で物質支配の宇宙とは整合しないが、宇宙の状態方程式が強いエネルギー条件（w < -0.4）を満たす限り、妥当である。
• ハッブル・キープロジェクトの最良適合 H₀ に対して、68%信頼水準での制約は w < -0.4 および Ω_matter < 0.38 である。
• 95%信頼水準では、制約がさらに厳しくなり、w < -0.26 および Ω_matter < 0.58 となる。
• 最良適合の年齢は、コスモロジカル定数支配の宇宙（w = -1）と整合する。
• これらの結果は、超新星および幾何的宇宙論データと補完的に、ダークエネルギーの存在を独立して支持する。