[논문 리뷰] A simple varying-speed-of-light hypothesis is enough for explaining high-redshift supernovae data

Yves‐Henri Sanejouand|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 20.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 일정한 감소율을 가지며 매년 약 2 cm s⁻¹ 감소하는 시간에 따라 변하는 빛의 속도가 암흑 에너지를 도입하지 않고도 관측된 고적색 이동을 가진 초신성 데이터를 설명할 수 있다고 제안한다. 시간에 따라 선형적으로 변화하는 빛의 속도를 가정함으로써, 이 연구는 타입 Ia 초신성의 적색이동-거리 관계를 잘 맞추는 수정된 허블 법칙을 유도하며, 우주론적 상수에 대한 현상학적 대안을 제공한다.

ABSTRACT

The hypothesis that the speed of light decreases by nearly 2 cm per sec and per year is discussed within the frame of a simple phenomenological model. It is shown that this hypothesis can provide an alternative explanation for the redshift-distance relationship of type Ia supernovae, which is nowadays given in terms of a new form of (dark) energy of unknown origin.

연구 동기 및 목표

• 시간에 따라 변하는 빛의 속도가 고적색 이동을 가진 타입 Ia 초신성에서 관측된 우주의 가속 팽창을 설명할 수 있는지 탐구한다.
• 우주의 시간에 따라 서서히 감소하는 빛의 속도를 가정함으로써, 우주론적 상수에 대한 현상학적 대안을 제공한다.
• 이 가설이 기존의 관측 데이터—특히 허블 우주 망원경의 '골드 세트'(156개의 초신성) 데이터—와 일관된지를 시험한다.
• 월구 레이저 레인지 데이터에서 관측된 3.82 cm/year의 상대적 후퇴 현상이 조건부로 조절되는 tidal 힘 외에도 시간에 따라 변하는 빛의 속도로 설명될 수 있는지 조사한다.

제안 방법

• 빛의 속도가 시간에 따라 선형적으로 변화한다고 가정한다: $ c_d = c_0 + a_c \Delta t $, 여기서 $ a_c $는 빛의 속도 변화율이다.
• 거리 $ d $ 에서 광자의 도착 시간 $ \Delta t $ 를 유도하며, 관계식 $ d = c_0 \Delta t + \frac{1}{2} a_c \Delta t^2 $ 를 사용하여 $ \Delta t $ 에 대한 이차 방정식을 유도한다.
• 적색이동 관계식 $ z = \frac{c_d}{c_0} - 1 $ 를 사용하고, 시간에 따라 변화하는 모델에서 $ c_d $ 를 대입하여 $ z = \sqrt{1 + \frac{2a_c d}{c_0^2}} - 1 $ 을 유도한다.
• 허블 법칙과의 일치를 위해 $ a_c = H_0 c_0 $ 를 설정함으로써, $ z = \sqrt{1 + \frac{2H_0 d}{c_0}} - 1 $ 라는 수정된 허블 법칙을 도출한다.
• 관측된 156개의 타입 Ia 초신성의 적색이동 데이터와 직접 비교하며, 적합을 시도하지 않고도 고정된 $ H_0 = 72 \, \text{km s}^{-1} \text{Mpc}^{-1} $ 를 사용한다.
• 모델이 월구 레이저 레인지 데이터와 일치하는지 평가하며, 가상의 후퇴 속도 $ v_{\text{mes}} = H_0 d_0 $ 를 예측한다. 이는 $ H_0 = 72 \, \text{km s}^{-1} \text{Mpc}^{-1} $ 일 때 관측된 3.82 cm/year의 경향과 일치한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 빛의 속도가 암흑 에너지를 도입하지 않고도 고적색 이동을 가진 타입 Ia 초신성의 적색이동-거리 관계를 설명할 수 있는가?
• RQ2 레이저 레인지로 측정된 월구의 관측된 상대적 후퇴 현상이 시간에 따라 변하는 빛의 속도로 설명될 수 있는가?
• RQ3 유도된 모델이 저적색 이동에서 허블 법칙을 재현하면서도 고적색 이동에서 이를 수정하는가?
• RQ4 초신성과 월구 레이저 레인지 데이터 양쪽을 동시에 일치시키기 위해 필요한 빛의 속도 변화율은 얼마인가?
• RQ5 태양계의 관측된 허블 유사 팽창이 실제 역학적 팽창이 아니라 시간에 따라 변하는 빛의 속도의 산물일 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 관측된 156개의 고적색 이동을 가진 타입 Ia 초신성의 데이터와 일치하는 적색이동-거리 관계 $ z = \sqrt{1 + \frac{2H_0 d}{c_0}} - 1 $ 을 예측하며, 적합 없이도 매우 잘 맞춘다.
• 빛의 속도 변화율로 요구되는 값은 $ a_c = H_0 c_0 $ 로, 이는 $ H_0 = 72 \, \text{km s}^{-1} \text{Mpc}^{-1} $ 일 때 약 -2 cm s⁻¹ per year 에 해당한다.
• 모델은 빛의 속도 변화로 인해 2.8 cm/year의 가상의 월구 후퇴 속도를 예측하며, 이는 조건부로 조절되는 tidal 효과와 함께 관측된 3.82 cm/year 경향과 일치한다.
• 관측된 3.82 cm/year의 후퇴는 빛의 속도 변화로 부분적으로 설명되며, 나머지 약 1 cm/year 는 tidal 힘에 기인한다.
• 모델은 측정된 허블 상수와 일치하며, 저적색 이동에서 허블 법칙을 재현하면서도 고적색 이동에서 이를 수정한다.
• 빛의 속도 변화가 느리고 현재의 실험적 한계와 일치한다면, 미세 구조 상수와 진공 허용도/투자도의 변화가 감지되지 않는 것과도 호환된다.