[논문 리뷰] Searching for variations in the fine-structure constant and the proton-to-electron mass ratio using quasar absorption lines

Julian A. King|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 282인용 수 10

한 줄 요약

이 학위논문은 VLT/UVES 및 Keck/HIRES 분광법에서의 초거리성 은하자기흡수선을 이용하여 미세구조상수(α)와 양성자-전자 질량비(μ)의 잠재적 공간적 변동성을 조사한다. 다수의 다중선 방법과 마르코프 체인 몽테카를로 분석을 사용하여, α에 대해 4.1σ 수준의 이면형 공간적 변동성에 대한 증거를 발견하였으며, 최대 증가가 오른쪽 자전 17.3시간, 천위 −61° 쪽으로 향하고 있다. 반면, z > 1에서 μ는 유의미한 진화를 보이지 않으며, ∆μ/μ = (1.7 ± 2.4) × 10⁻⁶로 나타난다.

ABSTRACT

(abridged) Quasar absorption lines provide a precise test of the assumed constancy of the fundamental constants of physics. We have investigated potential changes in the fine-structure constant, alpha, and the proton-to-electron mass ratio, mu. The many-multiplet method allows one to use optical fine-structure transitions to constrain (Delta alpha)/alpha at better than the 10^(-5) level. We present a new analysis of 154 quasar absorbers with 0.2 < z <3.7 in VLT/UVES spectra. From these absorbers we find 2.2 sigma evidence for angular variations in alpha under a dipole+monopole model. Combined with previous Keck/HIRES observations, we find 4.1 sigma evidence for angular (and therefore spatial) variations in alpha, with maximal increase of alpha occurring in the direction RA=(17.3 +/- 1.0) hr, dec=(-61 +/- 10) deg. Under a model where the observed effect is proportional to the lookback-time distance the significance increases to 4.2 sigma. Dipole models fitted to the VLT and Keck samples and models fitted to z<1.6 and z>1.6 sub-samples independently yield consistent estimates of the dipole direction, which suggests that the effect is not caused by telescope systematics. We consider a number of systematic effects and show that they are unable to explain the observed dipole effect. We have used spectra of the quasars Q0405-443, Q0347-383 and Q0528-250 from VLT/UVES to investigate the absorbers at z=2.595, 3.025 and 2.811 in these spectra respectively. We find that (Delta mu)/mu=(10.1 +/- 6.6) x 10^(-6), (8.2 +/- 7.5) x 10^(-6) and (-1.4 +/- 3.9) x 10^(-6) in these absorbers respectively. A second spectrum of Q0528-250 provides an additional constraint of (Delta mu)/mu=(0.2 +/- 3.2_stat +/- 1.9_sys) x 10^(-6). The weighted mean of these values yields (Delta mu)/mu=(1.7 +/- 2.4) x 10^(-6), the most precise constraint on evolution in mu at z>1.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서의 기본상수—α와 μ—의 시간적·공간적 일관성을 초거리성 은하자기흡수 스펙트럼을 이용해 검증하기.
• 고해상도 광학 분광법을 이용하여 α의 잠재적 공간(각도)적 변동성을 조사하기.
• 고적색저의 수소분자 전이를 이용하여 μ의 진화를 제약하기.
• 파장 캘리브레이션 오차 및 동위원소 농도 변화와 같은 체계적 영향을 평가하기.
• 마르코프 체인 몽테카를로와 같은 고급 통계 방법을 적용하여 초거리성 데이터 분석에서의 매개변수 추정 정확도 향상하기.

제안 방법

• 초거리성 은하자기계계에서의 광학 미세구조 전이를 분석하기 위해 다수의 다중선 방법을 사용하였다.
• 적색편이 0.2 < z < 3.7인 154개의 흡수체에 대한 VLT/UVES 스펙트럼을 사용하여 ∆α/α를 측정하였다.
• ∆α/α와 그 불확실성을 안정적으로 추정하기 위해 마르코프 체인 몽테카를로 기법을 적용하였다.
• Q0405−443, Q0347−383, Q0528−250의 초고적색저 수소분자 흡수선을 분석하여 ∆μ/μ를 제약하였다.
• 공간적 변동성에 대한 검증을 위해 데이터에 이면형 및 단극형 모델을 피팅하였다.
• 데이터 이격점과 기구적 영향을 배제하기 위해 반복적인 정리 및 체계적 점검을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천구상에서의 미세구조상수 α의 공간적 변동성에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 관측된 α의 변동성이 천체망원경 캘리브레이션 오류나 데이터 처리 오류에서 기인하는가?
• RQ3 고적색저(z > 1)에서 양성자-전자 질량비 μ가 진화하고 있는가?
• RQ4 VLT 및 Keck 데이터에서 도출된 α의 이면형 방향이 일관된가?
• RQ5 마르코프 체인 몽테카를로 기법이 ∆α/α 및 ∆μ/μ 추정의 정밀도와 신뢰성 향상에 기여하는가?

주요 결과

• 154개의 VLT/UVES 초거리성 은하자기흡수체 분석에서 α에 대해 2.2σ 수준의 이면형 공간적 변동성에 대한 증거를 확보하였다.
• Keck/HIRES 데이터와 결합하면 유의수준이 4.1σ로 상승하며, α의 최대 증가는 RA = 17.3 ± 1.0 hr, Dec = −61 ± 10° 쪽으로 향하고 있다.
• VLT 및 Keck 샘플을 별도로 피팅했을 때도 이면형 방향이 일관되므로, 망원경 체계적 오차의 가능성은 낮아진다.
• 잠재적으로 이격된 ∆α/α 값들을 반복적으로 제거하는 과정을 거쳐도 이면형 효과가 안정적으로 유지되어, 결과의 강인성이 입증되었다.
• z > 1에서의 가중 평균 ∆μ/μ = (1.7 ± 2.4) × 10⁻⁶로, 지금까지 가장 정밀한 제약이다.
• 파장 척도 왜곡 및 Mg 동위원소 진화와 같은 체계적 영향은 관측된 α의 이면형을 설명할 수 없다.