[논문 리뷰] Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae

S. Perlmutter, G. Aldering외 30명|Dipòsit Digital de la Universitat de Barcelona (Universitat de Barcelona)|1998. 12. 08.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 92

한 줄 요약

이 논문은 42개의 고적도 Type Ia 초신성의 밝기-적도 관계를 사용하여 질량 밀도(Ω_M)와 우주론적 상수(Ω_Λ)를 측정함으로써 천체물리적 제약 조건을 제시한다. 우주론적 상수가 비영이면서 양수임을 강력히 지지하는 결과를 도출하였으며, P(Λ>0)=99%이며, 평탄한 우주에서 Ω_M^flat=0.28⁺⁰.⁰⁹₋₀.⁰⁸(통계적 오차) 및 ⁺⁰.⁰⁵₋₀.⁰⁴(계측 오차)로 추정되어 가속 팽창을 지지한다.

ABSTRACT

We report measurements of the mass density, Omega_M, and cosmological-constant energy density, Omega_Lambda, of the universe based on the analysis of 42 Type Ia supernovae discovered by the Supernova Cosmology Project. The magnitude-redshift data for these SNe, at redshifts between 0.18 and 0.83, are fit jointly with a set of SNe from the Calan/Tololo Supernova Survey, at redshifts below 0.1, to yield values for the cosmological parameters. All SN peak magnitudes are standardized using a SN Ia lightcurve width-luminosity relation. The measurement yields a joint probability distribution of the cosmological parameters that is approximated by the relation 0.8 Omega_M - 0.6 Omega_Lambda ~= -0.2 +/- 0.1 in the region of interest (Omega_M 0) = 99%, including the identified systematic uncertainties. The best-fit age of the universe relative to the Hubble time is t_0 = 14.9{+1.4,-1.1} (0.63/h) Gyr for a flat cosmology. The size of our sample allows us to perform a variety of statistical tests to check for possible systematic errors and biases. We find no significant differences in either the host reddening distribution or Malmquist bias between the low-redshift Calan/Tololo sample and our high-redshift sample. The conclusions are robust whether or not a width-luminosity relation is used to standardize the SN peak magnitudes.

연구 동기 및 목표

• 고적도 Type Ia 초신성 샘플을 사용하여 우주론적 매개변수 Ω_M와 Ω_Λ를 결정하는 것.
• 데이터가 Λ=0 평탄한 우주론 모델 및 기타 표준 우주론 모델과 일관된지 테스트하는 것.
• 주로 은하계 적색편이, Malmquist 편향, 그리고 흡수 보정 방법과 같은 체계적 영향이 우주론적 매개변수 추정에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 빛의 곡선 폭-광도 관계를 사용한 표준화 방법의 변형에 따른 결과의 강인성 평가.
• 우주론적 상수의 가상 대안, 예를 들어 변화하는 어두운 에너지 또는 수정된 중력 이론 등을 제약하는 것.

제안 방법

• z=0.18–0.83 범위의 42개의 고적도 SNe Ia(적도 z=0.18–0.83)의 밝기-적도 데이터와 z<0.1인 낮은 적도 SNe Ia 19개(_CALAN/Tololo Survey_에서 확보)를 융합한다.
• 내재 광도 변동을 보정하기 위해 SNe Ia의 빛의 곡선 폭-광도 관계를 사용하여 최대 밝기를 표준화한다.
• 우주론적 매개변수를 공동 우도 분석을 통해 제약하며, 사후 분포는 관계 0.8Ω_M − 0.6Ω_Λ ≈ −0.2 ± 0.1로 근사한다.
• 체계적 불확실성을 평가하기 위해 고적도 및 저적도 샘플 간의 은하계 적색편이 분포와 Malmquist 편향을 비교한다.
• 보정된 우선 확률을 사용한 베이지안 방법을 적용하여 흡수 보정을 수행하고, 다양한 흡수 추정 기법의 영향을 평가한다.
• 비정규 사후 분포를 고려한 최대우도 적합 분석을 수행하여 모드 기반 보정으로 인한 편향을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 42개의 고적도 Type Ia 초신성 샘플로부터 Ω_M와 Ω_Λ의 공동 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 데이터는 우주론적 상수가 존재함을 얼마나 잘 제약하며, Λ>0일 확률은 얼마인가?
• RQ3 은하계 적색편이, Malmquist 편향, 흡수 보정 방법과 같은 체계적 영향에 대해 결과는 강인한가?
• RQ4 색의 초과나 잔차의 이상치를 포함하거나 제외할 경우 우주론적 매개변수 추정치가 어떻게 변화하는가?
• RQ5 결과는 평탄한 Λ=0 우주론 모델과 개방된 Λ=0 우주론 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 데이터는 0.8Ω_M − 0.6Ω_Λ ≈ −0.2 ± 0.1로 근사되는 공동 확률 분포를 도출하여 비영이면서 양수인 우주론적 상수의 존재를 시사한다.
• 평탄한 우주에서 최적의 질량 밀도는 Ω_M^flat = 0.28⁺⁰.⁰⁹₋₀.⁰⁸(1σ 통계적 오차) 및 ⁺⁰.⁰⁵₋₀.⁰⁴(체계적 오차)로 추정된다.
• 우주론적 상수가 양수일 확률은 99%이며, 이는 Λ=0 평탄한 우주론 모델을 강력히 배제한다.
• 평탄한 우주론에서 최적의 우주의 나이는 Hubble 시간 대비 t₀^flat = 14.9⁺¹.⁴₋₁.¹ (0.63/h) Gyr로 추정된다.
• 고적도 및 저적도 샘플 간에 은하계 적색편이나 Malmquist 편향에 유의미한 차이가 없음을 확인하여 체계적 오차가 일관됨을 시사한다.
• 빛의 곡선 폭-광도 관계를 표준화에 사용하든 말든 결과는 강인하며, 색 또는 잔차 이상치의 제거 여부에 민감하지 않다.