[論文レビュー] Observations of type 1a supernovae are consistent with a static universe

David F. Crawford|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、タイプIa超新星の観測が、通常は宇宙の膨張とダークエネルギーの証拠として解釈されてきたが、静的宇宙モデルとも同等に整合することを主張している。全放射エネルギー（放射 fluence）を真の標準標準巻き（standard candle）とみなすことで、距離モジュラスにおける選択効果を補正し、時間膨張を必要とせずに光曲線の幅-赤方偏移依存性を説明する。その結果、ハッブル定数は $63.1 \pm 2.5$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ が得られた。

ABSTRACT

Analysis of type 1a supernovae observations out to a redshift of $z$=1.6 shows that there is good agreement between the light-curve widths and $(1+z)$ which is usually interpreted as a strong support for time dilation due to an expanding universe. This paper argues that a strong case can be made for a static universe where the supernovae light-curve-width dependence on redshift is due to selection effects. The analysis is based on the principle that it is the total energy (the fluence) and not the peak magnitude that is the best `standard candle' for type 1a supernovae. A simple model using a static cosmology provides an excellent prediction for the dependence of light curve width on redshift and the luminosity-width relationship for nearby supernovae. The width dependence arises from the assumption of constant absolute magnitude resulting in strong selection of lower luminosity supernovae at higher redshifts due to the use of an incorrect distance modulus. Using a static cosmology, curvature-cosmology, and without fitting any parameters the analysis shows that the total energy is independent of redshift and provides a Hubble constant of $63.1\pm2.5$ kms$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. There is no indication of any deviation at large redshifts that has been ascribed to the occurrence of dark energy.

研究の動機と目的

• タイプIa超新星の光曲線幅-赤方偏移相関が、膨張宇宙における宇宙論的時間膨張の証拠であるという標準的解釈に挑戦すること。
• 距離モジュラス推定における選択効果—定常ピークマグニチュードを仮定することに起因する—が、静的宇宙論において観測された幅-赤方偏移依存性を説明できることを示すこと。
• タイプIa超新星の最適な標準巻きはピークマグニチュードではなく、全放射エネルギー（fluence）であることを示すこと。
• ダークエネルギーも時間膨張も導入しない曲率宇宙論モデルが、超新星データを標準的膨張モデルと同等に再現できるかどうかをテストすること。
• 自由パラメータのフィッティングを一切用いずに、観測データのみを用いて曲率宇宙論の予測と整合するハッブル定数を導出すること。

提案手法

• 0.015 \leq z \leq 1.551 の範囲で、Bバンドマグニチュード、ストレッチ要因、$B-V$ カラーを用いた、Kowalskiら（2008）によるユニオン超新星データセットを用いる。
• 光曲線の幅張りのモデル化に、再定義された幅パラメータ $w = (1+z)s$ を用いる。ここで $s$ はストレッチ要因である。
• 観測されたrms散乱と一致させるために、不確実性を0.139（ストレッチ）および0.118（マグニチュード）を四元和で加算することで、誤って低く見積もられた誤差を補正する。
• 静的宇宙を曲率宇宙論（Crawford, 2006, 2009a）でモデル化し、光子エネルギー損失が曲がった時空内での $\frac{1}{E}\frac{dE}{ds} = -\left(\frac{8\pi G N M_H}{c^2}\right)^{1/2}$ によって生じることを仮定する。
• 距離モジュラスを $\mu_{CC} = 5\log[\sqrt{3}\sin(\chi)] + 2.5\log(1+z) - 5\log(h) + 42.384$ として導出する。ここで $\chi = \ln(1+z)/\sqrt{3}$ である。
• ハッブル定数を $H = 51.69 N^{1/2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ として計算し、$R = \sqrt{3}c/H$ を観測データにフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的宇宙モデルにおいて、宇宙論的時間膨張を必要とせずに、タイプIa超新星の光曲線幅が赤方偏移に依存する現象を説明できるか？
• RQ2 全放射エネルギー（fluence）は、ピークマグニチュードよりもタイプIa超新星の標準巻きとして信頼性が高いか？
• RQ3 ピークマグニチュードに関する誤った仮定に起因する距離モジュラス推定における選択効果が、幅-赤方偏移トレンドの表面的傾向を説明できるか？
• RQ4 ダークエネルギーもダークマターも排除する曲率宇宙論モデルが、標準的膨張モデルと同等に観測された超新星データを再現できるか？
• RQ5 自由パラメータのチューニングなしに、ユニオン超新星データセットにフィットした静的宇宙モデルから、ハッブル定数はどの程度の値を示すか？

主な発見

• 距離モジュラス推定における誤った仮定に起因する選択効果を補正した場合、タイプIa超新星の幅-赤方偏移相関は静的宇宙モデルと整合的である。
• 静的モデルにおいて全放射エネルギー（fluence）は赤方偏移に依存せず、ピークマグニチュードよりも優れた標準巻きであることが確認された。
• データから導出されたハッブル定数は $63.1 \pm 2.5$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ であり、曲率宇宙論の予測値 $64.4 \pm 0.2$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ と非常に良好に一致した。
• 高赤方偏移域（$z \leq 1.551$）においても、静的モデルからの逸脱は観測されず、データにダークエネルギーの兆候があるという主張を反証した。
• 異常な超新星生成レートの時間的変化を仮定することなく、高赤方偏移超新星の密度分布をモデルが成功裏に再現した。
• 標準モデルが高赤方偏移データを説明するためにダークエネルギーを必要としているという主張は、選択効果とfluenceベースの標準化を適切に考慮した場合、データによって支持されないことが明らかになった。