[論文レビュー] In Defense of an Accelerating Universe: Model Insensitivity of the Hubble Diagram

Harry I. Ringermacher, Lawrence R. Mead|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ハッブル図が空間曲率に対して感度が低いため、ΛCDMモデルとコastingミルン宇宙の区別ができないとして、加速宇宙を擁護している。スケール因子対宇宙時間のプロットを用いて、両モデルがハッブル図では同等に適合するが、変換後は2σの有意差が生じることを示し、CMB観測による平坦な空間幾何学を前提に、95%信頼水準で宇宙の加速を確認した。

ABSTRACT

A recently published paper by Nielsen, Guffanti and Sarkar argues that the evidence for cosmic acceleration is marginal and that a coasting universe - the Milne Universe - fits the same supernovae data in a Hubble diagram nearly as well. The Milne Universe has negative spatial curvature. Nevertheless, we confirm that the Milne model fits the data just as well as LCDM. We show that this unexpected result points to a weakness in the Hubble diagram rather than to a flaw in LCDM. It seems the Hubble diagram is insensitive to spatial curvature. Here we present the data and both models in a scale factor vs. cosmological time plot.This plot is exquisitely sensitive to spatial curvature because one of three unique transformations, for each of curvatures 0,+1,-1, is applied to transform from the Hubble diagram. Although the Milne negative curvature did not matter much in the Hubble diagram, it matters critically in the scale factor plot. Given that space is flat as measured by precise CMB observations, we find that when the SNe data, the LCDM model and the Milne model are plotted as scale factor vs. cosmological time the two resulting curves separate at 2 sigma above the noise- ten times their separation above the noise in the Hubble diagram. The transformed data fit to the LCDM model confirms, at a 95% confidence level, that the universe is accelerating and the Milne coasting universe is ruled out.

研究の動機と目的

• 超新星データが宇宙の加速を十分に支持していないという主張に反論すること。
• ハッブル図が加速的・コasting的宇宙モデルを区別する際に、モデルに対する感度の低さを調査すること。
• ハッブル図が負の空間曲率を持つΛCDMモデルとミルン（コasting）モデルを信頼性を持って区別できるかを検証すること。
• スケール因子対宇宙時間への変換により、空間曲率に対する感度が顕著に現れ、ハッブル図における曖昧さが解消されることを示すこと。
• 超新星データをCMB観測で確認された平坦な空間幾何学と統合し、宇宙の加速を確認すること。

提案手法

• 著者たちは、同じタイプIa超新星のハッブル図データを用いて、ΛCDMモデルとミルンモデルを比較した。
• ハッブル図データに変換を施し、スケール因子対宇宙時間表現にマッピングした。
• この変換では、空間曲率k = 0, +1, -1のFriedmann-Robertson-Walkerモデルにおけるスケール因子の3つの固有解を用いた。
• 変換されたデータを、ΛCDMモデルおよびミルンモデルの理論的予測と比較した。
• 統計的有意性は、スケール因子プロットにおけるモデル曲線の分離度が観測ノイズに対してどの程度であるかを測定することで評価した。
• 分析では、CMBによって決定された空間の平坦性（k = 0）を制約条件として取り入れ、ΛCDMモデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハッブル図は、加速宇宙（ΛCDM）とコasting宇宙（ミルン）を、負の空間曲率を伴って信頼性を持って区別できるか？
• RQ2 両モデルの空間曲率が異なるにもかかわらず、なぜミルンモデルがハッブル図にΛCDMモデルと同等に適合するのか？
• RQ3 ハッブル図をスケール因子対宇宙時間プロットに変換すると、モデルの区別にどのような影響を与えるか？
• RQ4 CMBによって決定された平坦性を組み込むことで、競合する宇宙論モデルの区別がどの程度改善されるか？
• RQ5 ハッブル図におけるモデルの感度の低さを考慮に入れても、宇宙の加速に関する証拠は頑健であるか？

主な発見

• ハッブル図では、ΛCDMモデルとミルンモデルの適合度がほとんど同一であり、空間曲率に対するモデルの感度が低いことが示された。
• スケール因子対宇宙時間プロットでは、2つのモデルの分離がハッブル図のそれよりも10倍以上大きいことが明らかになった。
• スケール因子プロットにおけるモデル曲線の分離は、観測ノイズよりも2σ以上大きいことから、統計的に有意であることが示された。
• CMBによって決定された空間の平坦性を組み合わせると、データは95%信頼水準で宇宙の加速を確認した。
• 平坦な幾何学下で観測されたスケール因子の時間的変化を再現できないため、ミルンモデルは結合データによって除外された。
• スケール因子プロットへの変換により、元のハッブル図では見えなかった空間曲率に対する感度が顕在化された。