[論文レビュー] New HST spectra indicate the QSO PG1718+4807 will not give the primordial deuterium abundance

David Kirkman, David Tytler+7 more|ArXiv.org|Mar 20, 2001

Scientific Research and Discoveries参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

ハッブル宇宙望遠鏡STISによるQSO PG1718+4807の新しいスペクトルは、Lyα線の青側に以前推定されていた重水素吸収が、実際には重水素である可能性が低いことを示している。98%の信頼水準で、速度幅と赤方偏移が一貫しないことから、重水素は除外される。この系は複雑なマルチコンポーネント吸収構造を持つため、初期宇宙における重水素比を測定することはできない。

ABSTRACT

The z ~ 0.701 absorption system towards the QSO PG1718+4807 is the only example of a QSO absorption system which might have a deuterium/hydrogen ratio approximately ten times the value found towards other QSOs. We have obtained new STIS spectra from the Hubble Space Telescope of the Lyman alpha and Lyman limit regions of the system. These spectra give the redshift and velocity dispersion of the neutral hydrogen which produces most of the observed absorption. The Lyman alpha line is too narrow to account for all of the observed absorption. It was previously known that extra absorption is needed on the blue side of the main H I near to the expected position of deuterium. The current data suggests with a 98% confidence level that the extra absorption is not deuterium. Some uncertainty persists because we have a low signal to noise ratio and the extra absorption - be it deuterium or hydrogen - is heavily blended with the Lyman alpha absorption from the main hydrogen component.

研究の動機と目的

• QSO PG1718+4807のLyαプロファイルにおける異常な青側吸収が、高精度な初期宇宙D/H比をもたらす重水素であるかどうかを特定すること。
• 以前のHST GHRSスペクトルが示唆したD/H ≈ 20×10⁻⁵という矛盾する解釈を解消すること。
• 期待される物理的パラメータと比較することで、吸収の速度シフトと線幅が重水素と整合するかを評価すること。
• 赤方偏移の多い赤側吸収を含む複雑な速度構造が、重水素解釈を無効にしているかどうかを評価すること。

提案手法

• 従来のGHRSデータよりも信号対雑音比が向上した、QSO PG1718+4807のLyαおよびLyman限界領域の高分解能STISスペクトルを取得した。
• 高次Lyman系列線のフィッティングにより、主な水素吸収プロファイルとその速度幅（b = 22.5 km s⁻¹）を正確に決定した。
• 重水素の速度シフトと線幅の両方のパラメータ空間において2次元χ²グリッドを作成し、各点における重水素の尤もらしさを評価した。
• モデルフィットを観測データと比較し、信頼区間を用いて、物理的に妥当なパラメータ（b < 19.2 km s⁻¹、v ≈ -82 km s⁻¹）を持つ重水素が青側吸収を説明できるかどうかを検証した。
• 複数の水素コンポーネントを含む代替モデルを評価したが、重水素解釈の尤もらしさを高める効果はなかった。
• 光電離および金属線（SiIII、MgII）の制約を用いて、重水素線幅の物理的に妥当な上限（b ≤ 19.2 km s⁻¹）を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QSO PG1718+4807のLyαプロファイルにおける青側吸収特徴は、水素に対して-82 km s⁻¹の予想される速度シフトを持つ重水素吸収と整合するか？
• RQ2 SiIIIおよびH I線の幅制約を踏まえると、青側吸収の速度幅は重水素の期待される熱的幅と一致するか？
• RQ3 b ≤ 19.2 km s⁻¹の物理的に妥当な重水素線が、98%の信頼水準で観測された吸収プロファイルを説明できるか？
• RQ4 Lyα線の赤側に存在する追加の吸収は、重水素解釈と整合するか？
• RQ5 複雑な速度構造、特に複数のコンポーネントを含む構造は、重水素解釈を無効にしているか？

主な発見

• 青側吸収の最も尤もらしい解は、速度シフトが-75.1 ± 8.8 km s⁻¹、線幅がb = 27.1 ± 5.2 km s⁻¹であり、予想される-82 km s⁻¹とは一致せず、物理的期待値よりも広い。
• SiIIIおよびH I線幅に基づくb ≤ 19.2 km s⁻¹の重水素線は、2次元パrameter空間における74%信頼区間の外側に位置するため、98%の信頼水準で除外された。
• b = 19.2 km s⁻¹を仮定した場合、青側吸収が重水素である確率は、最良適合モデルの2%未満であり、重水素解釈に対する強い統計的偏りが示された。
• 複数の水素コンポーネントを許容しても、高次Lyman系列線が水素全体のプロファイルを非常に厳密に制約するため、重水素解釈は依然として統計的に不成立である。
• 赤側に吸収が存在することは、単一コンポーネントモデルを無効にし、重水素線付近に誤った吸収特徴を生じる複雑なマルチコンポーネント系を支持する。
• 複雑で非重水素由来の吸収構造による汚染のため、この系は初期宇宙における重水素比の測定が不可能である。