[論文レビュー] The Deuterium Abundance at z=0.701 towards QSO 1718+4807

David Tytler, Scott Burles+4 more|ArXiv.org|Oct 14, 1998

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 25被引用数 34

ひとこと要約

本研究は、QSO 1718+4807の方向にある金属貧乏なガス雲（赤方偏移 z=0.701）における重水素対水素比（D/H）を、ハッブル宇宙望遠鏡、ケック望遠鏡、IUEのスペクトルを統合して測定した。2成分の速度構造を考慮した場合、D/Hは <50×10⁻⁵ に制限され、これにより従来の単一成分モデルに疑問を呈し、中程度の赤方偏移におけるD/H測定の主な誤差源として、速度場モデリングの不確実性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

We present constraints on the deuterium to hydrogen ratio (D/H) in the metal-poor gas cloud at redshift $z=0.701$ towards QSO 1718+4807. We use new Keck spectra in addition to Hubble Space Telescope (HST) and International Ultraviolet Explorer (IUE) spectra. We use an improved redshift and a lower \HI column density to model the absorption. The HST spectrum shows an asymmetric Lyman-$α$ (\lya) feature which is produced by either \HI at a second velocity, or a high abundance of D. Three models with a single simple H+D component give $8 imes 10^{-5} &lt; D/H &lt; 57 imes 10^{-5}$ (95%), a much larger range than reported by Webb et al (1997a,b). A more sophisticated velocity distribution, or a second component is necessary for lower D/H. With two components, which could be a part of one absorbing structure, or separate clouds in a galaxy halo, we find $D/H &lt; 50 imes 10^{-5}$. We do not know if this second component is present, but it is reasonable because 40 -- 100% of absorption systems with similar redshifts and \HI column densities have more than one component.

研究の動機と目的

• 中程度の赤方偏移（z=0.701）における金属貧乏なガス雲の原始的重水素含有量（D/H）を、高分解能UV分光法を用いて決定すること。
• 非対称なLyαプロファイルが原因となるD/H測定の不一致を解消するため、重水素吸収または複雑な速度構造の可能性を検討すること。
• 速度場の複雑さやモデリング仮定が、信号対雑音比が低く、ライマン系列データが限られている状況でのD/H不確実性に与える影響を評価すること。
• 吸収体の単純な金属線プロファイルと急激なライマン端の特徴が、単一成分系を示唆するか、それともLyαの非対称性を説明するには複数成分が必要かを検討すること。
• ビッグバン核合成と他の独立的測定値との比較により、宇宙論的バリオン密度（Ωb）を制約すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡（GHRSおよびFOS）とケックHIRES、およびIUEの高分解能UVスペクトルを統合し、ライマン系列および金属線吸収プロファイルを分析した。
• 吸収特徴のモデリングを改善するため、赤方偏移とH Iの下限の列密度推定値を更新した。
• 4つの異なるモデルを適用：赤方偏移仮定を変えて用いた3つの単一成分モデルと、速度構造を考慮する1つの2成分モデル。
• Si IIIおよびMg II線のボイジットプロファイルフィッティングを用い、速度構造の単純さを評価した（単一雲またはハロー成分を仮定）。
• 相関する速度場と温度／乱流速度制約（1.4–1.8×10⁴ K、18–40 km s⁻¹）を用いた非ボイジットプロファイルモデルを用い、非対称なLyαプロファイルを再現した。
• 赤方偏移誤差、信号対雑音比、速度場の複雑さに起因する系の不確実性を評価したが、特に高SNRのライマン系列データが不足している状況での影響が顕著であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QSO 1718+4807吸収系における非対称なLyαプロファイルは、2成分の速度構造または重水素吸収によって説明可能か？
• RQ2 信号対雑音比が低く、ライマン系列データが限られている系において、速度場や赤方偏移に関する異なる仮定が、導出されるD/H比にどのように影響を与えるか？
• RQ3 H I列密度が類似する系の40–100％が複数成分を示すという事実を考慮した場合、複雑な速度構造を考慮した上でのD/Hの上限は何か？
• RQ4 本研究の結果は、高赤方偏移QSOからの従来のD/H測定とどのように比較できるか？また、宇宙論的バリオン密度とビッグバン核合成にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 中程度の赤方偏移系において、D/Hの不確実性の主な要因が、赤方偏移、信号対雑音比、速度場モデリングの不確実性のどれであるか？

主な発見

• 単一成分・ボイジットプロファイルモデル下では、D/Hは 8×10⁻⁵ < D/H < 57×10⁻⁵（95％信頼区間）に制限され、以前に報告された値よりも有意に広い範囲であった。
• 2成分の速度構造を含めた場合、D/Hの上限は <50×10⁻⁵ にまで低下し、D/Hの過大評価を避けるには複雑な速度構造が不可欠であることが示された。
• 非対称なLyαプロファイルは、2番目の速度成分の存在、または高い重水素含有量（D/H > 10×10⁻⁵）の両方によって最もよく説明できる。
• この系の金属量は太陽の1/100未満と推定され、化学的処理がほとんどないため、原始的D/Hのプローブとしての適性が裏付けられた。
• D/Hの値は、高バリオン密度モデル（Ωb < 0.01h⁻²）とは整合せず、ライマンαフォレスト、銀河団、宇宙マイクロ波背景からの他の独立的測定値とも矛盾する。
• D/Hの主な不確実性は、H I速度場の不確実性に起因し、赤方偏移誤差と信号対雑音比の不確実性はそれぞれ95％信頼区間で約2倍の不確実性を寄与している。