[論文レビュー] Searching for chameleon-like scalar fields with the ammonia method. II. Mapping of cold molecular cores in NH3 and HC3N lines

S. A. Levshakov, А. В. Лапинов+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 56被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、高分解能の電波観測を用いてNH₃ (1,1)およびHC₃N (2–1)線の観測を行い、冷たい分子核のマッピングを実施し、電子対陽子質量比（μ）の変動を検証した。L1498およびL1512では、26.9 ± 3.2 m s⁻¹の持続的で一貫したドップラー速度ずれが観測され、Δμ/μ = (26 ± 3) × 10⁻⁹に相当する。これは、チャメレオン型スカラー場に起因する局所位置不変性の破れを示唆している。

ABSTRACT

(Abridged) In our previous work we found a statistically significant offset Delta V = 27 m/s between the radial velocities of the HC3N(2-1) and NH3(1,1) transitions observed in molecular cores from the Milky Way. This may indicate that the electron-to-proton mass ratio, mu = m_e/m_p, increases by 3x10^{-8} when measured under interstellar conditions with matter densities of more than 10 orders of magnitude lower as compared with laboratory (terrestrial) environments. We now map four molecular cores L1498, L1512, L1517, and L1400K selected from our previous sample in order to estimate systematic effects in Delta V due to possible velocity gradients. We find that in two cores L1498 and L1512 the NH3(1,1) and HC3N(2-1) transitions closely trace the same material and show an offset of Delta V = 26.9 +/- 1.2_stat +/- 3.0_sys m/s throughout the entire clouds. The measured velocity offset, being expressed in terms of Delta mu = (mu_obs - mu_lab)/mu_lab, gives Delta mu = (26 +/- 1_stat +/- 3_sys)x10^{-9}.

研究の動機と目的

• 低密度の星間環境下での電子対陽子質量比（μ）の変動を調べることで、局所位置不変性の原則を検証すること。
• 分子核におけるHC₃NとNH₃線の間で観測された速度ずれが、系統的誤差ではなくμの変動に起因する可能性を調査すること。
• L1498、L1512、L1517B、L1400Kの4つの冷たい分子核をマッピングし、時間経過に伴う速度ずれの空間的整合性と再現性を評価すること。
• 磁場、電場、宇宙マイクロ波背景放射の影響といった、天体的および機器的系統的誤差を除外すること。
• 高分解能電波分光法を用いたアンモニア法による基本定数の変動検出感度を評価すること。

提案手法

• 100-m Effelsberg望遠鏡を用いて、NH₃ (1,1)の反転遷移およびHC₃N (2–1)の回転遷移を、高スペクトル分解能（FWHM ~30–40 m s⁻¹）で観測した。
• NH₃ (1,1)の超微細構造成分を用いて、ライン中心を約1 m s⁻¹の精度で特定し、実験室での不確実性と一致させた。
• ΔV = V_{lsr}(HC₃N) – V_{lsr}(NH₃) の速度ずれを計算し、反転遷移が回転遷移よりもμに感受しやすいと仮定して、μの変動を推定した。
• 外部電場および磁場、および宇宙黒体放射に起因するストークスシフトの系統的誤差をモデル化・定量した。
• 統計的および系統的不確実性（±1.2 stat ±3.0 sys m s⁻¹）を含む誤差予算を適用し、95%信頼区間を用いてΔμ/μを導出した。
• 複数の観測エポック間で結果を比較し、速度ずれの再現性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子核におけるHC₃NとNH₃線の間の観測された速度ずれは、同一核の異なる領域で一貫しているか？
• RQ2 観測された速度ずれは、磁場、電場、または黒体放射に起因する系統的誤差で説明できるか？
• RQ3 同じ観測所で1年ごとのスケールで速度ずれは再現可能か？
• RQ4 低密度星間環境下での電子対陽子質量比（μ）の変動を示唆する速度ずれは、観測されたものと一致するか？
• RQ5 アンモニア法は、チャメレオン型スカラー場モデルを検証できる十分な感度を持つのか？

主な発見

• L1498およびL1512では、HC₃N (2–1)とNH₃ (1,1)線間の速度ずれがΔV = 26.9 ± 1.2_{stat} ± 3.0_{sys} m s⁻¹であり、時間経過に伴って高い再現性を示した。
• このずれはΔμ/μ = (26 ± 1_{stat} ± 3_{sys}) × 10⁻⁹に相当し、低密度星間環境で電子対陽子質量比が増加している可能性を示唆している。
• L1517BおよびL1400Kでは、それぞれ46.9 ± 3.3_{stat} ± 3.0_{sys} m s⁻¹および8.5 ± 3.4_{stat} ± 3.0_{sys} m s⁻¹のずれが観測され、これはおそらく運動的構造や分子の空間的分離に起因すると考えられる。
• 静的電場および磁場、および宇宙黒体放射に起因するストークスシフトによる系統的誤差は1 m s⁻¹未満と推定され、誤差予算において無視できる。
• 観測された速度ずれは、機器的または環境的要因に起因するものではなく、μの変動に起因する可能性が支持される。
• 結果は、低密度領域でμの変動を媒介する可能性のあるチャメレオン型スカラー場の存在を一時的に支持しているが、確認のためさらなるデータが必要である。