[论文解读] Limits on the Density of Compact Objects from High Redshift Supernovae

Uroš Seljak, D. E. Holz|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文利用高红移Ia型超新星和引力透镜效应，对暗物质中致密天体（MACHOs）的比例进行约束。通过结合N体模拟与透镜放大率分布，研究表明，在已知宇宙学模型的前提下，100至400个红移z ~ 1的高精度测量超新星可将MACHO比例约束在20%以内。

ABSTRACT

Due to the effects of gravitational lensing, the magnification distribution of high redshift supenovae can be a powerful discriminator between smooth dark matter and dark matter consisting of compact objects. We use high resolution N-body simulations in combination with the results of simulations with compact objects to determine the magnification distribution for a Universe with an arbitrary fraction of the dark matter in compact objects. Using these distributions we determine the number of type Ia SNe required to measure the fraction of matter in compact objects. It is possible to determine a 20% fraction of matter in compact objects with 100-400 well measured SNe at $z \sim 1$, assuming the background cosmological model is well determined.

研究动机与目标

• 利用高红移超新星确定暗物质中可由致密天体（MACHOs）组成的最大比例。
• 模拟由致密天体引起的Ia型超新星的放大率分布。
• 评估为实现MACHO比例20%的测量精度所需超新星的数量。
• 评估超新星透镜效应对于平滑暗物质与团块状、致密暗物质存在的敏感性。
• 为未来的超新星巡天提供关于暗物质本质的定量预测。

提出的方法

• 开展高分辨率N体模拟，以模拟大尺度结构和暗物质分布。
• 在模拟中引入致密天体，以计算其对遥远超新星的透镜效应。
• 在不同致密暗物质比例下，计算高红移Ia型超新星的放大率分布。
• 利用所得的放大率分布，模拟可观测的超新星光 light curves 及其统计偏差。
• 估算为区分平滑暗物质模型与含显著MACHO成分的模型，所需的良好测量超新星数量。
• 假设背景宇宙学模型已精确确定，以隔离来自致密天体的透镜信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 为将暗物质中致密天体的比例约束在20%以内，最少需要多少个高红移Ia型超新星？
• RQ2 致密天体引起的引力透镜如何改变遥远超新星的观测放大率分布？
• RQ3 能否利用超新星数据区分致密暗物质与平滑暗物质的透镜特征？
• RQ4 在不同红移范围内，超新星光度放大率对暗物质中致密天体比例的敏感性如何？
• RQ5 在z ~ 1处，MACHO比例测量精度如何随观测超新星数量的增加而变化？

主要发现

• 在红移z ~ 1处，若拥有100至400个良好测量的Ia型超新星，可将暗物质中致密天体的比例约束在20%以内。
• 致密天体引起的引力透镜显著改变了高红移超新星的放大率分布，使其成为探测暗物质结构的敏感探针。
• 该方法依赖于平滑暗物质与包含致密天体的混合模型之间放大率模式的统计差异。
• 约束精度在很大程度上取决于所假设背景宇宙学模型的准确性。
• 结果表明，未来的超新星巡天可为暗物质本质，特别是MACHO假说，提供具有竞争力的约束。
• 本研究为实现特定精度的MACHO比例测量，建立了所需超新星数量的定量预测。