[論文レビュー] Redshift-distance relations from type Ia supernova observations. New constraints on grey dust models

Aday R. Robaina, J. Cepa|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、星形成率（SFR）の共動的時間的変化に従ってダスト密度が変化する物理的に妥当なグレイダストモデルを提案する。このモデルは、高赤方偏移におけるIa型超新星（SnIa）の減光を説明するためのダークエネルギーの代替案を提供する。更新されたHZT光度測定データを用いて、不均一なグレイダスト分布は除外され、Ωₘ₀ = 0.31およびΩ_Λ₀ = 0.69の最良適合宇宙論が得られ、宇宙年齢は約14.6 Gyrに達し、特異エネルギーを必要とせずに球状星団の年齢と整合的である。

ABSTRACT

Extinction due to intergalactic grey dust has been proposed as an alternative to accelerated expansion to account for the dimming of \s fluxes beyond $z \simeq 0.5$. The ``replenishing'' grey dust model, although fitting the observational data, does not seem to be based on physical assumptions. For this reason, in this paper we propose a new grey dust model whose dust distribution follows the comoving SFR density evolution, a reasonably established phenomenon. This new model is compared with the updated photometric data sample from the High Z Supernova Search Team (HZT). Also, using pairs of supernovae at different redshifts, the possibility of any ``patchy'' distribution proposed to explain the discrepancies between the ``high $z$'' dust model and the \s observations at very high redshift ($z \ge 0.9$) is ruled out. Finally, the data are compared with different models with and without dark energy and a best fit to a universe with adimensional parameters $Ω_{\mathrm{m0}} = 0.31$ and $Ω_{\mathrm{Λ0}} = 0.69$ is obtained, from which an age of the universe of $t_{0} \simeq 14.6 imes 10^{9}$ years is derived. This age is compatible with the age of the globular clusters using an equation of state $ω= -1$ and it obviates the need to resort to any kind of phantom energy.

研究の動機と目的

• 観測された共動的星形成率（SFR）密度の時間的変化に基づく物理的根拠を有するグレイダストモデルを構築すること。
• 特に不均一な分布を持つグレイダストが、ダークエネルギーを仮定せずに高赤方偏移におけるIa型超新星（SnIa）の減光を説明できるかどうかを検証すること。
• 更新されたHZT光度測定データを用いて、新しいSFRに基づくグレイダストモデルを標準のΛCDMモデルと比較し、宇宙論的パラメータを評価すること。
• CMB非等方性および銀河団質量関数からの既存の宇宙論的制約と、グレイダストモデルの整合性を評価すること。
• 今後の高精度な調査（SNAPおよびJWSTなど）が、ダークエネルギー支配の宇宙とグレイダストを伴う物質支配の宇宙を区別できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 著者らは、観測されたSFR密度の時間的変化データを物理的根拠として用い、共動的SFR密度に比例して変化するダスト密度を持つ新しいグレイダストモデルを構築した。
• SFRに基づくグレイダストモデルの距離モジュラス予測値を導出し、最新のHZT光度測定SnIaデータと比較した。
• 高赤方偏移におけるグレイダストモデルがデータと整合するかを評価するため、ペアワイズの角度的分離テストを考案した。特に不均一なダスト分布の有無を検証した。
• ダストのないΛCDMモデルをSnIaデータにフィットさせ、Ωₘ₀およびΩ_Λ₀を含む最良適合宇宙論的パラメータを取得した。
• CMB非等方性（Ω = 1）および2dF銀河調査（Ωₘ₀ ≈ 0.3）からの制約を検証し、Ωₘ₀ = 1のモデルを除外した。
• χ²および信頼水準を用いて統計的有意性を評価した。特に、高赤方偏移における不均一なダストモデルは4σの有意水準で除外された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された共動的星形成率（SFR）密度の時間的変化に基づくグレイダストモデルが、高赤方偏移におけるIa型超新星の減光を物理的に妥当に説明できるか？
• RQ2 高赤方偏移（z ≥ 0.9）におけるグレイダストの不均一な分布が、特に超新星ペアの角度的分離を用いたテストにおいて、現在のSnIaデータと整合するか？
• RQ3 SFRに基づくグレイダストモデルが、Ωₘ₀ = 0.31およびΩ_Λ₀ = 0.69の標準ΛCDMモデルと区別できない距離モジュラス予測値を生成するか？
• RQ4 Ωₘ₀ = 1.0の平坦宇宙にグレイダストを組み合わせたモデルが、CMB非等方性および銀河団質量関数からの制約に違反せずにSnIa観測を説明できるか？
• RQ5 最良適合のSFRに基づくグレイダストモデルにおける宇宙の年齢は何か？また、球状星団の年齢とどのように比較されるか？

主な発見

• ダストを含まない最良適合宇宙論モデルでは、Ωₘ₀ = 0.31およびΩ_Λ₀ = 0.69が得られ、標準ΛCDMモデルおよび以前のSnIa研究と整合的である。
• このモデルにおける宇宙の年齢はt₀ ≈ 14.6 × 10⁹年であり、宇宙定数（ω = -1）を仮定した場合、球状星団の年齢と整合的である。
• 新しいSFRに基づくグレイダストモデルは、Ωₘ₀ = 1.0の物質支配宇宙を仮定しても、Ωₘ₀ = 0.31およびΩ_Λ₀ = 0.69のΛCDMモデルとほとんど区別できない消光曲線を生成する。
• 不均一な分布を持つ高赤方偏移グレイダストモデルは、SnIaデータを用いたペアワイズ角度的分離テストにより4σの信頼水準で除外された。
• Ωₘ₀ = 0.3およびΩ_Λ₀ = 0.0のオープンモデルにSFRに基づくグレイダストを組み合わせた場合、信頼水準は1σ未満であり、WMAP CMB結果と矛盾する。これを解消するには、放射エネルギーの熱化といった特異なメカニズムが必要となる。
• 本研究は、今後の高精度な調査（SNAPおよびJWSTなど）が、ダークエネルギー支配の宇宙と物質支配の宇宙にグレイダストを含むモデルを区別するために不可欠であると結論づけた。