[論文レビュー] The evolution of the Cosmic Microwave Background Temperature: Measurements of TCMB at high redshift from carbon monoxide excitation

P. Noterdaeme, P. Petitjean+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 38被引用数 77

ひとこと要約

本研究は、VLT/UVESで観測されたクェーサー吸収系における炭素モノ酸化（CO）分子の回転励起を用いて、高赤方偏移（z ~ 1.7–3.0）における宇宙マイクロ波背景（CMB）温度を測定した。CMB温度の時間的変化に関する制約の精度が向上し、β = −0.007 ± 0.027が得られた。これは断熱的ビッグバンモデルを強く支持しており、崩壊するダークエネルギーの有効状態方程式（w_eff = −0.996 ± 0.025）についてもより厳密な制約を与える。

ABSTRACT

A milestone of modern cosmology was the prediction and serendipitous discovery of the Cosmic Microwave Background (CMB), the radiation left over after decoupling from matter in the early evolutionary stages of the Universe. A prediction of the standard hot Big-Bang model is the linear increase with redshift of the black-body temperature of the CMB (TCMB). This radiation excites the rotational levels of some interstellar molecules, including carbon monoxide (CO), which can serve as cosmic thermometers. Using three new and two previously reported CO absorption-line systems detected in quasar spectra during a systematic survey carried out using VLT/UVES, we constrain the evolution of TCMB to z~3. Combining our precise measurements with previous constraints, we obtain TCMB(z)=(2.725+/-0.002)x(1+z)^(1-beta) K with beta=-0.007+/-0.027, a more than two-fold improvement in precision. The measurements are consistent with the standard (i.e. adiabatic, beta=0) Big-Bang model and provide a strong constraint on the effective equation of state of decaying dark energy (i.e. w_eff=-0.996+/-0.025).

研究の動機と目的

• 分子励起を宇宙温度計として用いて、高赤方偏移（z ~ 1.7–3.0）における宇宙マイクロ波背景（CMB）温度を直接測定すること。
• 原子種の衝突励起による不確実性を回避するため、COの回転遷移を用い、CMB放射温度に対してより感受性が高いことを利用すること。
• S-Z効果および原子種の微細構造線からの既存データと組み合わせることで、CMB温度時間的変化パラメータβの精度を向上させること。
• 高赤方偏移におけるCMB温度測定を用いて、宇宙の断熱的拡張を検証し、崩壊するダークエネルギーの有効状態方程式（w_eff）を制約すること。
• 特にz > 2の領域において、従来の方法よりも高い精度でT_CMB(z)を測定することで、標準的熱ビッグバンモデルを検証すること。

提案手法

• 高分解能・高SN比のVLT/UVESクェーサー分光を用い、高赤方偏移における希薄な星間ガスにおけるCO回転吸収線を検出する。
• CO回転準位（J=1–0, 2–1, 3–2, など）の相対的分布を測定し、励起温度を推定する。衝突励起が無視できる場合には、この温度はCMB黒体放射温度に等しい。
• 放射平衡条件を適用する：衝突率が低く、CMB光子が励起を支配する場合には、CO準位の励起温度はT_CMB(z)に等しくなる。
• 新たに得られた3つのCO吸収系（z ~ 1.7–2.7）を、以前に報告済みの2つの系と組み合わせ、T_CMB(z) = T_CMB^0 × (1+z)^(1−β) のフィッティングに用いるより大きなデータセットを構築する。
• 尤度解析を用いて、T_CMB(z) = T_CMB^0 × (1+z)^(1−β) の関数形にデータをフィットする。T_CMB^0 = 2.725 ± 0.002 K は局所測定値として固定する。
• CO測定値をS-Z効果および原子炭素微細構造線データと組み合わせ、βおよびw_effの全体的な制約を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CO回転励起を用いた測定により、z ~ 1.7–3.0における宇宙マイクロ波背景温度T_CMB(z)の赤方偏移依存性はどのように変化するか？
• RQ2 T_CMB(z) = T_CMB^0 × (1+z)^(1−β) の関係におけるパラメータβの測定精度はどの程度で、これは断熱的宇宙膨張（β = 0）を支持するか？
• RQ3 高赤方偏移クェーサー吸収系におけるCO回転遷移は、原子微細構造線よりもより正確かつ独立したT_CMB(z)制約を提供できるか？
• RQ4 測定されたT_CMB(z)の時間的変化は、崩壊するダークエネルギーの有効状態方程式（w_eff）にどのような制約を課すか？
• RQ5 S-Z効果および原子炭素測定と組み合わせたCOデータは、個別の手法と比較してβおよびw_effの精度をどのように向上させるか？

主な発見

• 本研究は、CMB温度の時間的変化に関する新たな制約を報告した：β = −0.007 ± 0.027であり、これは1σレベルで断熱的ビッグバンモデル（β = 0）と整合的である。
• COベースの測定を組み込むことで、以前の制約と比較して測定精度が2倍以上向上した。
• 崩壊するダークエネルギーの有効状態方程式はw_eff = −0.996 ± 0.025と制約され、従来の手法よりもより厳密な制約が得られた。
• COベースの測定は、z > 2の領域においてCMB温度T_CMB(z)を直接かつ高精度にプローブできる。この領域では原子種の衝突励起の影響が大きいため、従来の手法は信頼性に欠ける。
• S-Z効果、原子炭素、COの組み合わせデータセットにより、βに対する最もきつい制約が得られた：−0.007 ± 0.027。これは異なる手法の相乗効果を示している。
• 結果は標準的熱ビッグバンモデルを支持しており、初期宇宙における断熱的拡張の著しい逸脱や局所位置不変性の破れを排除する。