[論文レビュー] On spatial variations of the electron-to-proton mass ratio in the Milky Way

S. A. Levshakov, P. Molaro+1 more|ArXiv.org|Aug 5, 2008

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、銀河系における電子と陽子の質量比（μ）の空間的変動を、他の分子の回転遷移と併せてアンモニアの反転遷移を用いて調査する手法を提案する。高分解能電波観測を用いた分子雲の観測により、Δμ/μ ≈ (4–14)×10⁻⁸ の空間的変動を報告しており、これは現在までで最も精度の高い天体物理学的制約である。この結果は標準的なスカラー場モデルとは矛盾するが、物質密度に依存する結合定数を持つチャメレオン型モデルと整合的である。

ABSTRACT

(Abridged) Radio-astronomical observations of molecular cores in lines of NH3 (J,K)=(1,1), CCS J_N=2_1-1_0, HC3N J=5-4, and N2H+ J=1-0 are used to measure the relative radial velocity offsets, Delta V, between the NH3 (1,1) and other molecular transitions. Robust statistical analysis is applied to the n=207 individual measurements in the Perseus molecular cloud (PC), the Pipe Nebula (PN), and the infrared dark clouds (IRDCs) to deduce the mean value of Delta V and its uncertainty. The measured values of Delta V from the PC, PN, and IRDCs show statistically significant positive velocity shifts between the line centers of NH3 and other molecules. The most accurate estimates are obtained from subsamples of the NH3/CCS pairs observed in the PC (n=21) and the PN (n=8), Delta V = 36+/-7_stat+/-13.5_sys} m/s and 53+/-11_stat+/-13.5_sys m/s, respectively, and from the n=36 NH3/N2H+ and n=27 NH3/HC3N pairs observed in the IRDCs, Delta V = 148+/-32_stat+/-13.6_sys m/s and 115+/-37_stat+/-31_sys m/s, respectively. Being interpreted in terms of the electron-to-proton mass ratio variation, this gives Delta mu/mu = (4-14)10^{-8}, which is an order of magnitude more sensitive than previous astronomical constraints on this quantity.

研究の動機と目的

• 銀河系の異なる銀河中心距離における電子対陽子質量比（μ = mₑ/mₚ）の空間的変動を調査すること。
• 局所的な重力的または物質密度効果によって、μ比が星間分子雲内で変動するかどうかを検証すること。
• 高精度な電波観測による分子遷移を活用して、μ変動に対する天体物理学的制約を改善すること。
• ラボラトリでの原子時計実験と比較し、ダークエネルギーのスカラー場モデルによる基本定数の空間的変動予測と整合性を評価すること。
• 潜在的な系統的誤差を同定し、観測されたドップラー速度オフセットが真にμ変動の指標であることを検証すること。

提案手法

• 分子雲におけるアンモニア（NH₃）反転遷移と他の分子の回転遷移（CCS、N₂H⁺、HC₃N）の間の相対的径方向速度オフセット（ΔV）を測定する。
• ペルセウス分子雲、パイプネブライヤ、赤外暗黒雲（IRDCs）からの高分解能電波天文学的データを用いる。
• 207個の個別測定に対してきめ細やかな統計解析を実施し、平均ΔVおよびその不確実性（統計的および系統的）を決定する。
• 理論的関係式 Δμ/μ ≈ (ΔV / c) × (d ln ν/d ln μ) を用いて、ΔV を μ の空間的変動の代理指標として解釈する。ここで ν は遷移周波数である。
• 得られた Δμ/μ をラボラトリの境界値と比較し、特にチャメレオンスクリーニングを伴うまたは伴わないスカラー場モデルと照合する。
• 静止周波数の不確実性とドップラー雑音を分析することで系統的誤差を評価し、今後の観測において光学的薄さの線を用いて誤差を低減することを提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子対陽子質量比 μ は、銀河系のディスクの異なる領域で空間的に変動するか？
• RQ2 NH₃ と他の分子線の間の観測された速度オフセットは、運動論的効果ではなく μ の変動に起因するものと解釈できるか？
• RQ3 得られた Δμ/μ の制約は、μ の時間的変動を測定したラボラトリの測定とどのように比較できるか？
• RQ4 結果は、基本定数の空間的変動を予測するスカラー場モデル（ダークエネルギーのもの）を支持するか、反証するか？
• RQ5 局所的な物質密度に強く依存するチャメレオン型モデルは、観測された Δμ/μ と整合的か？

主な発見

• ペルセウス分子雲における NH₃ (1,1) と CCS (2₁–1₀) 遷移の間の測定速度オフセットは、ΔV = 36 ± 7(stat) ± 13.5(sys) m s⁻¹ であり、これに対応する Δμ/μ ≈ 4×10⁻⁸ である。
• パイプネブライヤでは、NH₃/CCS オフセットにより ΔV = 53 ± 11(stat) ± 13.5(sys) m s⁻¹ が得られ、Δμ/μ ≈ 7×10⁻⁸ と推定される。
• 赤外暗黒雲では、NH₃/N₂H⁺ および NH₃/HC₃N 組み合わせから、それぞれ ΔV = 148 ± 32(stat) ± 13.6(sys) m s⁻¹ および 115 ± 37(stat) ± 31(sys) m s⁻¹ が得られ、Δμ/μ ≈ 14×10⁻⁸ および 11×10⁻⁸ に対応する。
• 統合された結果から、μ の空間的変動は (4–14)×10⁻⁸ のレベルにあり、これは現在までで最も感受性の高い天体物理学的制約である。
• この結果は、重力ポテンシャル勾配に比例して μ 変動を予測するスカラー場モデルと、太陽系の原子時計実験と比較して約5桁の違いがあるため、矛盾する。
• 一方、この観測信号は、局所的な物質密度に強く依存するチャメレオン型スカラー場モデルと整合的である。