[論文レビュー] Slipher, galaxies, and cosmological velocity fields

J. A. Peacock|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2013

History and Developments in Astronomy参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、1917年のスリファーやその他のスペクトル的データを再評価し、当時宇宙の膨張を示す証拠として解釈されていなかったが、統計的に有意な証拠（>8σ）を含んでおり、正の平均赤方偏移を示しており、これは宇宙論的速度場を示している。本研究は、スリファーのデータに現代の統計的手法を適用することで、彼がすでに銀河のまとまった運動および宇宙論的特異速度の存在を検出していたこと、そしてハッブルの線形距離-赤方偏移関係が10年以上も前にもたらされたことを示している。

ABSTRACT

By 1917, V.M. Slipher had singlehandedly established a tendency for 'spiral nebulae' to be redshifted (21 out of 25 cases). From a modern perspective, it could seem surprising that the expansion of the universe was not announced at this point. Examination of Slipher's papers shows that he reached a more subtle conclusion: the identification of cosmological peculiar velocities, including the bulk motion of the Milky Way, leading to a beautiful argument in favour of nebulae as distant stellar systems. Nevertheless, Slipher's data actually contain evidence at >8sigma for a positive mean velocity, even after subtracting the dipole owing to the motion of the observer. In 1929, Hubble estimated distances for a sample of no greater depth, using redshifts due almost entirely to Slipher. Hubble's distances were flawed in two distinct ways: in addition to an incorrect absolute calibration, the largest distances were systematically under-estimated. Nevertheless, he claimed the detection of a linear distance-redshift relation. Statistically, the evidence for such a correlation is less strong than the simple evidence for a positive mean velocity in Hubble's sample. Comparison with modern data shows that a sample of more than twice Hubble's depth would generally be required in order to reveal clearly the global linear expansion in the face of the 'noise' from peculiar velocities. When the theoretical context of the time is examined, the role of the de Sitter model and its prediction of a linear distance-redshift relation looms large. A number of searches for this relation were performed prior to Hubble over the period 1924-1928, with a similar degree of success. All were based on the velocities measured by Slipher, whose work from a Century ago stands out both for the precision of his measurements and for the subtle clarity of the arguments he employed to draw correct conclusions from them.

研究の動機と目的

• スリファーの1917年のデータを現代の宇宙論的用語に再表現し、宇宙膨張に与える統計的有意性を評価すること。
• スリファーが強い統計的証拠にもかかわらず、赤方偏移の傾向を宇宙の膨張を示すものとして解釈しなかった理由を明確にすること。
• ハッブルの1929年の線形距離-赤方偏移関係の主張の統計的頑健性を、スリファーの先行する結果のデータ品質と統計的重みと比較すること。
• スリファーの業績が現代の宇宙論において、特に特異速度場や重力の大型スケールテストの分野で、なぜ長期間にわたり関連性を保っているかを強調すること。

提案手法

• 現代の統計的手法を用いて、スリファーが1917年に測定した25個の渦巻銀河の赤方偏移データを再分析する。
• ドライプル補正モデルを適用し、残りの速度場から観測者の運動（銀河のまとまった流れ）を分離する。
• ドライプル補正後の残差平均速度の有意性を評価し、>8σの正の平均赤方偏移の証拠を発見する。
• ハッブルの1929年の距離推定値を現代の距離標準キャリブレーションと比較し、キャリブレーション誤差や系統的バイアスを評価する。
• ハッブルのサンプルにおける距離-赤方偏移相関の統計的強さを、単純な正の平均速度の証拠と比較する。
• 現代の宇宙論的データを用いて、特異速度ノイズの存在下で線形膨張を確実に検出するためのサンプルの深さを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スリファーの1917年のサンプルにおいて、観測者の運動を補正した後の平均赤方偏移の統計的有意性はいかほどか？
• RQ2 強い統計的証拠にもかかわらず、スリファーはなぜ赤方偏移の傾向を宇宙の膨張を示すものとして解釈しなかったのか？
• RQ3 ハッブルの1929年のサンプルにおける線形距離-赤方偏移関係の証拠は、同じデータにおける正の平均速度の証拠と比べて、どの程度強いのか？
• RQ4 1920年代における赤方偏移データの解釈に、理論的事前仮定（特にデシーターモデル）が果たした役割は何か？
• RQ5 スリファーのデータは、宇宙論的特異速度の本質的観測的特徴をどの程度すでに含んでいたのか？

主な発見

• スリファーの1917年のデータは、銀河のまとまった流れに起因するドライプルパターンを差し引いた後、8σを超える有意性を示す残差平均赤方偏移を示している。
• 1923年にエディントンに共有された拡張されたデータセットでは、正の平均速度の有意性が14σにまで上昇し、宇宙論的速度場の強い統計的証拠を示している。
• 平均赤方偏移の統計的有意性が極めて高いにもかかわらず、スリファーは宇宙の膨張を支持する結論に至らず、代わりに銀河のまとまった流れと渦巻銀河の銀河外的性質を支持した。
• ハッブルの1929年の線形距離-赤方偏移関係の主張は、彼自身のサンプルにおける正の平均速度の証拠よりも統計的に弱く、その統計的重みが支配的である。
• 特異速度ノイズの存在下で線形膨張を確実に検出するための必要なサンプルの深さは、ハッブルのサンプルの2倍以上であることが示され、彼の検出が統計的に弱いものであったことを示している。
• スリファーの特異速度に関する業績は、現代の宇宙論においても基盤的役割を果たしており、重力のテストや大規模構造の研究の重要な要素を形成している。