[論文レビュー] Quasars as standard candles III. Validation of a new sample for cosmological studies

E. Lusso, G. Risaliti+16 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2020

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的研究のための標準標準光源として使用可能な、約2,400個のスペクトロスコピック赤方偏移およびX線観測を持つ新しいクェーサー標本を検証する。ほこりによる減光、X線吸収、およびフラックス限界からの系制度を最小限に抑えることで、著者らはL_X–L_UV関係がz ≈ 5まで安定していることを確認した。z ≈ 1.5まではΛCDMモデルと良好に一致するが、より高い赤方偏移では4σのずれを示しており、これは系制度ではなく、おそらくダークエネルギーの時間的変化を示唆している。

ABSTRACT

We present a new catalogue of ~2,400 optically selected quasars with spectroscopic redshifts and X-ray observations from either Chandra or XMM-Newton. The sample can be used to investigate the non-linear relation between the UV and X-ray luminosity of quasars, and to build a Hubble diagram up to redshift z~7.5. We selected sources that are neither reddened by dust in the optical/UV nor obscured by gas in the X-rays, and whose X-ray fluxes are free from flux-limit related biases. After checking for any possible systematics, we confirm, in agreement with our previous works, that (i) the X-ray to UV relation provides distance estimates matching those from supernovae up to z~1.5, and (ii) its slope shows no redshift evolution up to z~5. We provide a full description of the methodology for testing cosmological models, further supporting a trend whereby the Hubble diagram of quasars is well reproduced by the standard flat $Λ$CDM model up to z~1.5-2, but strong deviations emerge at higher redshifts. Since we have minimized all non-negligible systematic effects, and proven the stability of the $L_{ m X}-L_{ m UV}$ relation at high redshifts, we conclude that an evolution of the expansion rate of the Universe should be considered as a possible explanation for the observed deviation, rather than some systematic (redshift-dependent) effect associated with high-redshift quasars.

研究の動機と目的

• X線からUVまでの光度関係を用いて、系制度を最小限に抑えた、宇宙距離測定に耐えうるクェーサー標本の構築を目的とする。
• L_X–L_UV関係が高赤方偏移（z ≤ 7.5）でも安定しているかどうかをテストし、距離指標としての信頼性を確認することを目的とする。
• z > 1.5でのΛCDMモデルからの観測されたずれが、選択バイアスや測定系制度によるものでないことを検証することを目的とする。
• 超新星Iaデータと併せてダークエネルギーおよび宇宙膨張を探るためのクェーサーのハッブル図を構築するための手法を提供することを目的とする。
• 将来のX線宇宙背景サーベイ（例：eROSITA、Athena）が、クェーサーを用いた宇宙論的制約をどの程度向上できるかを評価することを目的とする。

提案手法

• ChandraまたはXMM–Newtonからのスペクトロスコピック赤方偏移およびX線データを有するクェーサーを選定し、クリアで遮蔽されておらず、赤化のない源を確保する。
• 厳密な選択基準を適用：UV/光学でのほこりによる減光なし、X線吸収なし、および写真測光およびスペクトルエネルギー分布（SED）解析によるフラックス限界バイアスの緩和。
• L_X–L_UV関係（L_X ∝ L_UV^γ、γ ≈ 0.6）を用いて距離モジュラスを推定し、z ≈ 7.5までにわたるハッブル図を構築する。
• Eddingtonバイアス、SEDの形状、または選択フィルターに起因する赤方偏移依存性の系制度を検出するため、ハッブル図の残差を詳細に分析する。
• 平坦なΛCDMモデル（Ω_M = 0.3）に対して距離モジュラス–赤方偏移関係をフィッティングすることで、宇宙論的モデルをテストする。
• 異なる赤方偏移チャンクおよびパrameter範囲における手法の頑健性を評価し、関係の安定性と誤ったトレンドの不在を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L_X–L_UV関係が、物理的または観測的バイアスの可能性があるにもかかわらず、z ≈ 5までに変化しないまま安定しているか？
• RQ2 z > 1.5でのΛCDMモデルからの観測されたずれは、系制度的要因によるものか、それとも本質的な宇宙論的進化によるものか？
• RQ3 ほこり、吸収、フラックス限界からの選択バイアスを最小限に抑えた場合、クェーサーは信頼できる標準光源として宇宙論に利用可能か？
• RQ4 異なる写真測光フィルターまたはSEDベースの選択基準が、ハッブル図の残差に誤った赤方偏移トレンドを導入するか？
• RQ5 eROSITAやAthenaのような将来的なX線サーベイが、クェーサーの宇宙論的有用性をどの程度向上できるか？

主な発見

• 最終的な「最良」標本において、L_X–L_UV関係はz ≈ 5までに顕著な赤方偏移依存性を示さず、一貫した勾配と約0.2デキシルの分散を示した。
• クェーサーのハッブル図は、z ≈ 1.5までに平坦なΛCDMモデルと良好に一致しており、顕著な残差トレンドは認められなかった。
• z > 1.5で、統計的に有意なΛCDMからのずれが検出され、その有意水準は約4σであった。これは、ダークエネルギーの状態方程式の時間的変化の可能性を示唆している。
• Eddingtonバイアス補正、SEDベースのブルークェーサー選択、フィルター依存のフラックス測定が、残差解析によって確認されたように、誤った系制度を導入しなかった。
• 関係の安定性と赤方偏移依存性のない系制度の不在は、高赤方偏移でのずれが観測アーティファクトではなく、真の宇宙論的進化を反映していると解釈する根拠を支持している。
• 将来的なサーベイ、例えばeROSITAやAthenaは、より大規模で高品質なクェーサー標本を提供し、宇宙論的パラメータのより厳密な制約を可能にするものと期待される。