[논문 리뷰] Observations of type 1a supernovae are consistent with a static universe

David F. Crawford|arXiv (Cornell University)|2009. 01. 27.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기존에 우주 팽창과 암흑 에너지의 증거로 해석되어온 형광성 초신성 관측 결과가 정적 우주 모델과도 동일하게 일관됨을 주장한다. 총 방출 에너지(조도)를 진정한 표준 캔들로 간주하고 거리 모듈러스에 대한 선택 효과를 고려함으로써, 시간 지연 없이도 광선 곡선 폭-적색편이 의존성을 설명할 수 있으며, 이로 인해 $63.1 \pm 2.5$ km s⁻¹ Mpc⁻¹의 허블 상수를 도출한다.

ABSTRACT

Analysis of type 1a supernovae observations out to a redshift of $z$=1.6 shows that there is good agreement between the light-curve widths and $(1+z)$ which is usually interpreted as a strong support for time dilation due to an expanding universe. This paper argues that a strong case can be made for a static universe where the supernovae light-curve-width dependence on redshift is due to selection effects. The analysis is based on the principle that it is the total energy (the fluence) and not the peak magnitude that is the best `standard candle' for type 1a supernovae. A simple model using a static cosmology provides an excellent prediction for the dependence of light curve width on redshift and the luminosity-width relationship for nearby supernovae. The width dependence arises from the assumption of constant absolute magnitude resulting in strong selection of lower luminosity supernovae at higher redshifts due to the use of an incorrect distance modulus. Using a static cosmology, curvature-cosmology, and without fitting any parameters the analysis shows that the total energy is independent of redshift and provides a Hubble constant of $63.1\pm2.5$ kms$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. There is no indication of any deviation at large redshifts that has been ascribed to the occurrence of dark energy.

연구 동기 및 목표

• 형광성 초신성 광선 곡선 폭-적색편이 상관관계를 팽창 우주에서의 천체물리적 시간 지연의 증거로 보는 표준 해석을 도전한다.
• 정적 우주론에서, 일정한 피크 magnitude를 가정함으로써 발생하는 거리 모듈러스 추정의 선택 효과가 관측된 폭-적색편이 의존성을 설명할 수 있음을 제안한다.
• 형광성 초신성에 대해 총 방출 에너지(조도)가 피크 magnitude보다 더 우수한 표준 캔들이 되는 것을 입증한다.
• 어두운 에너지나 시간 지연 없이도, 곡률 기반 우주론 모델이 관측된 초신성 데이터를 표준 팽창 모델과 동일하게 재현할 수 있는지 테스트한다.
• 자유 매개변수 조정 없이 관측된 데이터만을 사용해 곡률-우주론 예측과 일치하는 허블 상수를 도출한다.

제안 방법

• 0.015 \leq z \leq 1.551 범위에서 B-대역 magnitude, 스트레치 인자, $B-V$ 색소를 포함한 유니언 초신성 데이터셋(Kowalski 등, 2008)을 사용한다.
• 광선 곡선의 넓어짐을 모델링하기 위해 재정의된 폭 인자 $w = (1+z)s$를 적용한다. 여기서 $s$는 스트레치 인자이다.
• 관측된 RMS 산란과 일치시키기 위해 오차를 보정하기 위해 0.139(스트레치)와 0.118(magnitude)를 제곱합으로 더한다. 이는 기존 오차 추정치가 과소된 것을 보정하기 위함이다.
• 곡률 기반 우주론(Crawford, 2006, 2009a)을 사용해 정적 우주를 모델링한다. 여기서 허블 적색편이는 곡률 시공간에서 광자의 에너지 손실에 의해 발생하며, $\frac{1}{E}\frac{dE}{ds} = -\left(\frac{8\pi G N M_H}{c^2}\right)^{1/2}$ 로 기술된다.
• 거리 모듈러스를 $\mu_{CC} = 5\log[\sqrt{3}\sin(\chi)] + 2.5\log(1+z) - 5\log(h) + 42.384$ 로 유도한다. 여기서 $\chi = \ln(1+z)/\sqrt{3}$ 이다.
• 허블 상수를 $H = 51.69 N^{1/2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ 로 유도하며, $R = \sqrt{3}c/H$ 를 관측 데이터에 적합시켜 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정적 우주 모델에서 천체물리적 시간 지연 없이도 형광성 초신성 광선 곡선 폭의 적색편이 의존성이 설명될 수 있는가?
• RQ2 총 방출 에너지(조도)가 형광성 초신성의 피크 magnitude보다 더 신뢰할 수 있는 표준 캔들인가?
• RQ3 피크 magnitude에 대한 잘못된 가정으로 인한 거리 모듈러스 추정의 선택 효과가 관측된 폭-적색편이 경향을 설명하는가?
• RQ4 어두운 에너지와 어두운 물질을 피하는 곡률 기반 우주론 모델이 표준 팽창 모델만큼이나 관측된 초신성 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ5 자유 매개변수 조정 없이도, 정적 우주 모델을 유니언 초신성 데이터셋에 적합했을 때 허블 상수는 얼마인가?

주요 결과

• 오차 추정의 선택 효과를 고려할 경우, 형광성 초신성의 관측된 폭-적색편이 상관관계는 정적 우주 모델과 일관된다.
• 정적 모델에서 총 방출 에너지(조도)는 적색편이에 영향을 받지 않으며, 이는 피크 magnitude보다 더 뛰어난 표준 캔들임을 확인한다.
• 관측 데이터로부터 유도된 허블 상수는 $63.1 \pm 2.5$ km s⁻¹ Mpc⁻¹이며, 곡률 기반 우주론 예측값인 $64.4 \pm 0.2$ km s⁻¹ Mpc⁻¹와 뛰어난 일치를 보인다.
• 고적색편이 영역($z \leq 1.551$)에서 정적 모델의 이탈이 관측되지 않으며, 이는 데이터에 어두운 에너지의 징후가 있다는 주장과 정면으로 배치된다.
• 특수한 초신성 생성률의 진화가 필요 없이도, 고적색편이 초신성의 관측 밀도 분포를 성공적으로 재현한다.
• 표준 모델이 고적색편이 데이터를 설명하기 위해 어두운 에너지가 필요하다는 필요성은 선택 효과와 조도 기반 표준화를 적절히 고려할 경우 데이터로는 지지되지 않는다.