[論文レビュー] Constraints on Cosmological Models from Hubble Space Telescope Observations of High-z Supernovae

P. Garnavich, R. Kirshner+18 more|CERN Bulletin|Oct 13, 1997

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 13

ひとこと要約

この論文では、3つの高赤方偏移Ia型超新星（z ≈ 0.5–0.97）のハッブル宇宙望遠鏡による画像測光を用いて、低赤方偏移サンプルから校正された光曲線の形状および色補正を適用することで、宇宙論的パラメータを制約している。宇宙の閉じるには物質だけでは不十分であり、Ω_matter < 1 であることが95%以上の信頼水準で示唆され、非ゼロの宇宙定数の存在を支持している。

ABSTRACT

We have coordinated Hubble Space Telescope photometry with ground-based discovery for three supernovae: two SN Ia near z~0.5 (SN 1997ce, SN 1997cj) and a third event at z=0.97 (SN 1997ck). The superb spatial resolution of HST separates each supernova from its host galaxy and leads to good precision in the light curves. The HST data combined with ground-based photometry provide good temporal coverage. We use these light curves and relations between luminosity, light curve shape, and color calibrated from low-z samples to derive relative luminosity distances which are accurate to 10% at z~0.5 and 20% at z=1. The redshift-distance relation is used to place constraints on the global mean matter density, Omega_matter, and the normalized cosmological constant, Omega_Lambda. When the HST sample is combined with the distance to SN 1995K (z=0.48), analyzed by the same precepts, it suggests that matter alone is insufficient to produce a flat Universe. Specifically, for Omega_matter+Omega_Lambda=1, Omega_matter is less than 1 with &gt;95% confidence, and our best estimate of Omega_matter is -0.1 +/- 0.5 if Omega_Lambda=0. Although the present result is based on a very small sample whose systematics remain to be explored, it demonstrates the power of HST measurements for high redshift supernovae.

研究の動機と目的

• ハッブル宇宙望遠鏡の測光データを用いて、高赤方偏移Ia型超新星の等価距離を測定し、宇宙論的制約を求める。
• 物質のみで平坦な宇宙を生み出せるかどうかを、Ω_matterとΩ_Lambdaの測定によって検証する。
• 地上望遠鏡による発見と追跡観測とを組み合わせたHSTデータからの距離測定の精度を評価する。
• Ω_matterとΩ_Lambdaを変化させた場合の標準宇宙論モデルと高赤方偏移超新星データの整合性を評価する。
• 小サンプルサイズであるにもかかわらず、HSTが高精度な超新星宇宙論に果たせる可能性と有効性を示す。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡が高分解能画像を提供し、宿主銀河からの分離を図り、汚染を最小限に抑えた。
• 地上のスキャンが超新星を発見し、その後HSTによる測光で正確な光曲線測定が行われた。
• ピーク光度、光曲線の形状、色との間の経験的関係を、低赤方偏移サンプルから校正した。
• z ≈ 0.5では10%の精度、z = 1では20%の精度で相対的等価距離が導出された。
• 平坦宇宙の仮定の下で、赤方偏移-距離関係を用いてΩ_matterとΩ_Lambdaを制約した。
• 統計的解析により、HSTサンプルにSN 1995K（z = 0.48）を組み合わせ、パラメータの制約を改善した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブル宇宙望遠鏡による高赤方偏移Ia型超新星の観測は、正確な等価距離測定を可能にするか？
• RQ2 非ゼロの宇宙定数を組み合わせた場合、物質密度Ω_matterは平坦な宇宙と整合的か？
• RQ3 z ≈ 0.5–1における観測された等価距離関係は、非ゼロの宇宙定数を必要とするか？
• RQ4 低赤方偏移サンプルから得た光曲線の形状および色補正は、高赤方偏移超新星に適用可能か？
• RQ5 HSTを用いた高赤方偏移超新星距離測定における系統的不確実性は何か？

主な発見

• HSTサンプルに加えてSN 1995Kを組み合わせた結果、物質のみでは平坦な宇宙を生み出せないことが示され、Ω_Lambda = 1 - Ω_matterの下で、Ω_matter < 1 であることは95%以上の信頼水準で確認された。
• Ω_Lambda = 0の仮定の下で、Ω_matterの最良推定値は -0.1 ± 0.5 であり、物質のみの宇宙の否定的証拠が強く示された。
• 等価距離測定の精度はz ≈ 0.5で10%、z = 1で20%であり、意味のある宇宙論的制約が可能となった。
• データは非ゼロの宇宙定数を支持しており、Ω_matter + Ω_Lambda = 1 を満たす平坦な宇宙と整合的である。
• サンプルサイズが小さいにもかかわらず、HSTが高精度な超新星宇宙論に果たせる力を示した。
• 系統的不確実性は完全には解明されていないが、今後の宇宙論的制約に強く有望な手法であることが示された。