[論文レビュー] Do we really see a cosmological constant in the supernovae data ?

Marie-Noëlle Célérier|ArXiv.org|Jul 15, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 163

ひとこと要約

この論文は、タイプIa超新星の観測データが正の宇宙定数を示す決定的証拠であるという解釈に挑戦し、零Λ宇宙における大規模構造の非一様性が観測された等級-赤方偏移関係を再現できることを示している。現在のデータでは、宇宙定数を持つ一様な宇宙と、宇宙定数を持たない非一様な宇宙を区別できないことを強調しており、宇宙原理およびダークエネルギーの性質を検証するため、高赤方偏移、より高精度の超新星データの必要性を訴えている。

ABSTRACT

The magnitude-redshift relation is one of the tools for a direct observational approach to cosmology. The discovery of high redshift Type Ia supernovae (SNIa) and their use as ``standard candles'' has resurrected interest in this approach. Recently collected data have been used to address the problem of measuring the cosmological parameters of the universe. Analysed in the framework of homogeneous models, they have yielded, as a primary result, a strictly positive cosmological constant. However, a straight reading of the published measurements, conducted with no a priori idea of which model would best describe our universe at least up to redshifts $z\sim 1$, does not exclude the possibility of ruling out the Cosmological Principle - and cosmological constant - hypotheses. It is therefore shown here how the large scale homogeneity of this part of the universe can be tested on our past light cone, using the magnitude-redshift relation, provided sufficiently accurate data from sources at redshifts approaching $z=1$ would be available. An exemple of an inhomogeneous model with zero cosmological constant reproducing the current observations is given. The presently published SNIa data can thus be interpreted as implying either a strictly positive cosmological constant in a homogeneous universe or large scale inhomogeneity with no constraint on $Λ$. An increase in the number and measurement accuracy of the candidate ``standard candles'' at very high redshift is therefore urgently needed, for progress in both fundamental issues of the Cosmological Principle and cosmological constant.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移タイプIa超新星の観測された等級-赤方偏移関係が、実際に正の宇宙定数を示しているかどうかを評価すること。
• 特に大規模空間の一様性という宇宙原理が、超新星データを用いて観測的に確認可能かどうかを調査すること。
• 一様性を仮定しない代替解釈、特に宇宙定数がゼロの非一様モデルを含めた、データの解釈を探ること。
• 高精度の超新星データを用いて、過去の光円錐面上での大規模一様性をテストする方法を提案すること。
• 宇宙論的モデル選択における根本的曖昧さを解消するため、高赤方偏移でのデータ品質および量の向上が不可欠であることを強調すること。

提案手法

• タイプIa超新星の等級-赤方偏移関係を、宇宙幾何学の直接的観測的プローブとして分析する。
• フレドマン＝リーマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FLRW）モデルとレーマイユ＝トールマン＝ボンデ（LTB）非一様モデルの予測を比較する。
• LTBモデルの枠組みを用いて、宇宙定数がゼロの球対称非一様宇宙を構築し、観測された等級-赤方偏移データを再現する。
• SNe Iaの標準燭台行動を仮定するが、前身星の進化やダスト減光などの潜在的システムティック効果には注意を払う。
• 十分なデータ精度を仮定した場合、異なる赤方偏移範囲における等級-赤方偏移データの一貫性に基づく、大規模一様性のテストを提案する。
• FLRWモデルとLTBモデルは距離-赤方偏移関係を同じように再現可能であるが、対称性および一様性に関する根本的な仮定が異なることを利用している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤方偏移タイプIa超新星の観測された等級-赤方偏移関係は、正の宇宙定数を持つ一様な宇宙と、宇宙定数がゼロの非一様な宇宙の両方で同程度に説明可能か？
• RQ2 CMBRの等方性とコペルニクス的仮定を考慮した場合、現在の超新星データが宇宙原理をどの程度まで排除できるか？
• RQ3 超新星データのみを根拠に、一様なFLRWモデルと非一様なLTBモデルを区別するための観測的基準は何か？
• RQ4 光源の進化や距離測定に関する仮定に依存する、宇宙定数に関する結論の感度はどの程度か？
• RQ5 大規模スケールでの宇宙の一様性を明確に検証するためには、データ品質および赤方偏移カバー範囲にどの程度の向上が必要か？

主な発見

• 現在の超新星データは、大規模非一様宇宙における宇宙定数がゼロである可能性を排除していない。これは、観測結果を再現するLTBモデルが構築されたことにより明らかになった。
• 非ゼロの宇宙定数は、観測された等級-赤方偏移関係の唯一の説明ではない。大規模非一様性も同様の効果を生じうる。
• フレドマンの距離-赤方偏移関係は、宇宙原理を確認するための必要条件ではあるが十分条件ではない。非一様モデルは特定の条件下でそれを模倣できる。
• 非一様モデルと一様モデルの間で距離-赤方偏移関係のフィットにデゲネラシーが生じるため、追加の制約がなければ、データだけではそれらを区別できない。
• 宇宙定数が非ゼロであるかどうかを確認するには、まず大規模一様性を確立する必要があり、逆に大規模一様性を確認するには、宇宙定数の存在を前提としない。
• 大規模一様性と宇宙定数の間の曖昧さを解消するためには、赤方偏移がz≈1に近い領域における標準光源の数と測定精度の向上が不可欠である。