[論文レビュー] The age of the universe, the Hubble constant, the accelerated expansion and the Hubble effect

Domingos Soares|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、加速膨張の文脈において、宇宙の年齢とハッブル定数を検討し、時空の拡張とは独立した赤方偏移の物理的メカニズムとして「ハッブル効果」を提唱する。ハッブルの法則は、光子が距離を進む間にエネルギーを失う「疲れ光」メカニズムに起因する可能性があり、標準モデルがダークエネルギーとダークマターに依存するのとは対照的である。

ABSTRACT

The idea of an accelerating universe comes almost simultaneously with the determination of Hubble's constant by one of the Hubble Space Telescope Key Projects. The age of the universe dilemma is probably the link between these two issues. In an appendix, I claim that "Hubble's law" might yet to be investigated for its ultimate cause, and suggest the "Hubble effect" as the searched candidate.

研究の動機と目的

• 星間進化の年齢（約14 Gyr）と宇宙論的モデルの整合性を図ることで、宇宙の年齢の矛盾を解消すること。
• 標準モデルがダークエネルギーとダークマターに依存するのを疑問視し、赤方偏移の代替的説明を提示すること。
• 光子が伝播中にエネルギーを失う「疲れ光」パラダイムにおける物理的メカニズムとしてのハッブル効果を検討すること。
• ハッブルの法則が幾何的空間の拡張を必然的に示すという仮定に反論し、幾何的拡張なしに観測的に整合する可能性を示唆すること。
• 赤方偏移が波長に依存しないかどうかを検証し、ハッブル効果とドップラーまたは宇宙論的拡張モデルを区別するための重要なテストを提示すること。

提案手法

• 球状星団の星間進化モデルと一般相対性理論のフレドマン解の2つの独立的手法を用いて、宇宙の年齢を分析する。
• 初期のフレドマンモデル（Ω₀ = 1）を用い、基準的年齢 t₀ = (2/3)H₀⁻¹ を導出。その後、加速膨張を考慮して宇宙定数を含めた修正を施す。
• ハッブル宇宙望遠鏡キープロジェクト（H₀ = 72 km s⁻¹ Mpc⁻¹）およびIa型超新星（SNe Ia）の観測データを用い、宇宙論的パラメータを制約する。
• 4つの観測的制約（放射束依存性、赤方偏移の弱い波長依存性、赤方偏移の量子化、散乱の欠如）に基づき、ハッブル効果のヒューリスティックなプログラムを提示する。
• 実験的法則が量子理論を生み出したアインシュタインの光電効果に類似した道筋を示唆し、ハッブル効果に対しても同様のアプローチを提案する。
• ハッブル効果を幾何的でない、光子のエネルギー損失メカニズムとして評価し、標準モデルの空間拡張説明とは対照的に提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブル定数から導かれる宇宙論的年齢が、最も古い星の年齢（14 Gyr）と食い違うのは、ダークエネルギーを導入しない限り成立しないのはなぜか？
• RQ2 空間の拡張とは別に、光子が伝播中にエネルギーを失う物理的メカニズムによってハッブルの法則を説明できるか？
• RQ3 波長に依存しない赤方偏移を支持する観測的証拠は何か？ そして、これは宇宙論的赤方偏移モデルの制限要因となるか？
• RQ4 観測された宇宙の加速膨張は、標準標準光源（SNe Ia）を仮定した場合に妥当な結果であると言えるのか、それとも誤差の可能性があるのか？
• RQ5 光子が距離を進む間にエネルギーを失う「ハッブル効果」が、加速膨張を説明するダークエネルギーの代替的妥当性を有するのか？

主な発見

• H₀ = 72 km s⁻¹ Mpc⁻¹ および Ωₘ₀ = 0.3 を用いた ΛCDM モデルから導かれる宇宙論的年齢（12.8–13.3 Gyr）は、球状星団の14 Gyrの年齢と整合的であり、年齢の矛盾が解消された。
• ハッブル宇宙望遠鏡キープロジェクトにより、H₀ = 72 km s⁻¹ Mpc⁻¹ が10%の不確実性で確認され、宇宙論的年齢推定の基盤が固まった。
• ペルルマッターらおよびライエスらのSNe Iaデータにより、加速膨張とz ≈ 0.46の遷移赤方偏移が確認され、ダークエネルギーの必要性が裏付けられた。
• ハッブル効果は、光子が伝播中にエネルギーを失う物理的メカニズムとして提唱され、波長に依存しない赤方偏移と散乱の欠如と整合的である。
• 本稿では、ハッブルの法則は空間の拡張と整合的であるが、それが必然的に拡張を示す証拠とは限らないと判明し、より深い物理的説明の必要性が示唆された。
• 「疲れ光」パラダイムが裏付けられれば、ダークエネルギーとダークマターの必要性が排除され、宇宙の質量エネルギーのわずか0.5%しか直接観測されていないことからも、その代替的妥当性が示唆される。