[論文レビュー] Weak Lensing and the Measurement of q0 from Type Ia Supernovae

J. Frieman|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 1996

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、宇宙の減速パラメータ $ q_0 $ を決定するために用いられるタイプIa超新星（SNe Ia）の観測に、弱い重力レンズ効果が及ぼす影響を調査する。大規模構造の統計的モデリングを用いて、レンズ効果に起因するフラックス分散が $ z \leq 0.5 $ の範囲で 0.04 マグニチュード未満であることが判明した。これはSNe Iaの固有分散よりも著しく小さいため、弱いレンズ効果は現在の $ q_0 $ 測定において顕著に妨げにはならず、将来的にSNe Iaの固有分散が高赤方偏移域で 0.1 マグニチュードにまで低減された場合にのみ、関係性を持つ可能性がある。

ABSTRACT

On-going projects to discover Type Ia supernovae at redshifts z = 0.3 - 1, coupled with improved techniques to narrow the dispersion in SN Ia peak magnitudes, have renewed the prospects for determining the cosmic deceleration parameter q_0. We estimate the expected uncertainty in the Hubble diagram determination of q_0 due to weak lensing by structure in the universe, which stochastically shifts the apparent brightness of distant standard candles. Although the results are sensitive to the density power spectrum on small scales, the induced flux dispersion sigma_m < 0.04 Omega_{m,0}^{1/2} mag for sources at z \leq 0.5, well below the ``intrinsic" spread of nearby SN Ia magnitudes, sigma_M \simeq 0.2 mag. Thus, density inhomogeneities do not significantly impact the current program to measure q_0, in contrast to a recent claim. If, however, light-curve shape and other calibrators can reduce the effective intrinsic spread to 0.1 mag at high z, then weak lensing could increase the observed spread by 30% in an Omega_{m,0}=1 universe for SNe at z > 1.

研究の動機と目的

• 大規模構造による弱い重力レンズ効果が、タイプIa超新星のハッブル図に顕著な散乱を引き起こすかどうかを評価すること。
• レンズ効果が宇宙の減速パラメータ $ q_0 $ の測定精度に与える影響を評価すること。
• SNe Iaの明るさにおける固有分散が低減された場合に、レンズ効果が将来的な $ q_0 $ 測定の正確性を制限する可能性があるかどうかを特定すること。
• 高赤方偏移域におけるSNe Ia宇宙論において、レンズ効果の重要性についての矛盾する主張を解消すること。

提案手法

• 小スケールでの密度パワースペクトルを用いて、遠方の標準キャンドルに及ぼされる弱いレンズ効果の統計的影響をモデリングする。
• 赤方偏移および物質密度 $ \Omega_{m,0} $ に応じた、レンズ効果によって誘発される予想されるフラックス分散 $ \sigma_m $ を計算する。
• 線形摂動アプローチを用いて、大規模構造からの重力レンズ効果に起因する明るさの分散を推定する。
• レンズ効果に起因する分散 $ \sigma_m $ を、近距離SNe Iaの固有分散 $ \sigma_M \approx 0.2 \, \text{mag} $ と比較する。
• 固有分散が 0.1 マグニチュードに低減されると仮定した高赤方偏移SNe Ia（$ z > 1 $）についても分析を拡張する。
• 宇宙論的構造形成モデルに基づき、$ z \leq 0.5 $ に対して $ \sigma_m < 0.04 \Omega_{m,0}^{1/2} \, \text{mag} $ のスケーリングを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙構造による弱いレンズ効果が、タイプIa超新星のハッブル図に顕著な散乱を引き起こすか？
• RQ2 低赤方偏移域において、レンズ効果に起因するフラックス分散はSNe Ia明るさの固有分散と比べてどの程度か？
• RQ3 SNe Iaの固有分散が高赤方偏移域で 0.1 マグニチュードにまで低減された場合、弱いレンズ効果が $ q_0 $ 測定の精度をどの程度劣化させるか？
• RQ4 高赤方偏移域でレンズ効果が $ q_0 $ 測定を著しく制限するとする主張が、定量的分析によって裏付けられているか？

主な発見

• 赤方偏移 $ z \leq 0.5 $ の源に対して、レンズ効果に起因するフラックス分散は $ \sigma_m < 0.04 \, \Omega_{m,0}^{1/2} \, \text{mag} $ と推定される。
• このレンズ散乱は、近距離SNe Iaの固有分散 $ \sigma_M \approx 0.2 \, \text{mag} $ よりも著しく小さいため、現在の $ q_0 $ 測定に顕著な影響を及ぼさないことが示された。
• $ \Omega_{m,0} = 1 $ の宇宙において、固有分散が 0.1 マグニチュードに低減された場合、$ z > 1 $ で観測される明るさの散乱が30％増加する可能性がある。
• 最近の主張とは対照的に、レンズ効果が $ q_0 $ 測定を著しく制限するとする主張は、定量的分析によって否定された。その結果、現在の観測的状況では、レンズ効果は固有分散に比べて劣勢であることが確認された。
• この分析により、現在のSNe Iaを用いた $ q_0 $ 決定計画において、弱いレンズ効果は制限要因とはならないことが確認された。