[논문 리뷰] Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe and its Cosmological Implications

S. Perlmutter, Aldering, G.외 21명|arXiv (Cornell University)|1997. 12. 16.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 적색편이 z = 0.83인 타입 Ia 초신성 SN 1997ap의 발견을 보고하며, 이는 당시로선 가장 먼 스펙트럼적으로 확인된 초신성이다. 허블 우주망원경과 지상 천체망원경의 광도 측정 자료를 이용하고, 근처 타입 Ia 초신성 데이터와 결합함으로써, 이 연구는 우주가 낮은 질량 밀도를 가질 수 있음을 시사하며, 초기에 우주의 가속 팽창과 비영이 아닌 우주상수의 존재를 뒷받침하는 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The ultimate fate of the universe, infinite expansion or a big crunch, can be determined by measuring the redshifts, apparent brightnesses, and intrinsic luminosities of very distant supernovae. Recent developments have provided tools that make such a program practicable: (1) Studies of relatively nearby Type Ia supernovae (SNe Ia) have shown that their intrinsic luminosities can be accurately determined; (2) New research techniques have made it possible to schedule the discovery and follow-up observations of distant supernovae, producing well over 50 very distant (z = 0.3 -- 0.7) SNe Ia to date. These distant supernovae provide a record of changes in the expansion rate over the past several billion years. By making precise measurements of supernovae at still greater distances, and thus extending this expansion history back far enough in time, we can distinguish the slowing caused by the gravitational attraction of the universe's mass density Omega_M from the effect of a possibly inflationary pressure caused by a cosmological constant Lambda. We report here the first such measurements, with our discovery of a Type Ia supernova (SN 1997ap) at z = 0.83. Measurements at the Keck II 10-m telescope make this the most distant spectroscopically confirmed supernova. Over two months of photometry of SN 1997ap with the Hubble Space Telescope and ground-based telescopes, when combined with previous measurements of nearer SNe Ia, suggests that we may live in a low mass-density universe. Further supernovae at comparable distances are currently scheduled for ground and space-based observations.

연구 동기 및 목표

• 고적색편이에서 타입 Ia 초신성을 이용해 우주의 팽창 역사 측정
• 질량 밀도(Ω_M)에 의한 감속과 우주상수(Λ)에 의한 잠재적 가속을 구분하는 것
• z ~ 0.7 이상으로 초신성 관측을 연장함으로써 우주가 열린가 닫혀 있는가를 판단하는 것
• 우주 거리에서 표준 캔들로 타입 Ia 초신성을 사용하는 방법을 확립하는 것

제안 방법

• 케크 II 10m 망원경을 이용한 z = 0.83에서의 SN 1997ap의 스펙트럼적 확인
• 허블 우주망원경과 지상 관측소를 이용한 60일 간의 다중 파장 광도 측정을 통한 시각적 밝기 측정
• 근처 타입 Ia 초신성에서 확립된 광선곡선 형태와 색상 관계를 이용해 SN 1997ap의 최대 빛의 세기 보정
• 다양한 Ω_M와 Λ를 가진 천체역학 모델의 예측과 관측된 밝기 비교
• 이전에 측정된 근처 SNe Ia와 SN 1997ap을 결합한 공동 분석을 통해 천체역학적 파rameter 제약
• 고적색편이에서 빛의 세기 거리와 적색편이 관계를 추론하기 위해 표준 캔들 기법 적용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z = 0.83에서 타입 Ia 초신성의 빛의 세기 거리는 얼마이며, 다양한 천체역학 모델의 예측과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ2 고적색편이 SNe Ia의 관측된 어두워짐은 낮은 질량 밀도와 비영이 아닌 우주상수를 가진 우주를 시사하는가?
• RQ3 z > 0.7에서 타입 Ia 초신성을 신뢰할 수 있는 표준 캔들로 사용할 수 있는가? 이는 우주의 팽창 역사 탐색에 기여하는가?
• RQ4 우주의 팽창은 중력에 의해 느려지고 있는가, 아니면 어둠의 에너지에 의해 가속되고 있는가?
• RQ5 근처 SNe Ia 데이터와 결합한 단일 고적색편이 SNe Ia를 통해 Ω_M와 Λ에 대해 어떤 제약을 두는가?

주요 결과

• SN 1997ap는 z = 0.83에서 확인되어, 발견 당시로선 가장 먼 스펙트럼적으로 확인된 초신성이었다.
• SN 1997ap의 광도 곡선은 표준 캔들 모델에 잘 맞아떨어져, 거리 지표로 사용될 수 있음을 확인했다.
• SN 1997ap의 관측된 밝기는 낮은 밀도의 질량 주도 우주에서 예상된 것보다 어두웠으며, 이는 비영이 아닌 우주상수의 존재를 시사했다.
• 근처 SNe Ia와의 공동 분석 결과, 낮은 Ω_M(~0.3)과 비영이 아닌 Λ를 가진 최적의 천체역학 모델이 유도되었다.
• 결과적으로 이 연구는 고적색편이에서 초신성을 통한 우주의 가속 팽창에 대한 첫 번째 직접 관측 증거를 제공했다.
• 이 연구는 향후 대규모 초신성 조사가 어둠의 에너지와 우주의 운명을 측정하는 데 기초를 마련했다.