[論文レビュー] Searching for variations in the fine-structure constant and the proton-to-electron mass ratio using quasar absorption lines

Julian A. King|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 282被引用数 10

ひとこと要約

本学位論文は、VLT/UVESおよびKeck/HIRESの分光観測から得られたクェーサー吸収線を用いて、微細構造定数（α）および陽子対電子質量比（μ）の空間的変動の可能性を調査する。多数多重法とマルコフ連鎖モンテカルロ解析を用い、αには右漸化17.3時間、赤緯−61°方向への最大増加を示すドーナツ型の空間的変動が4.1σの有意性で示唆されるが、z > 1の領域ではμに顕著な進化は認められず、∆μ/μ = (1.7 ± 2.4) × 10⁻⁶ である。

ABSTRACT

(abridged) Quasar absorption lines provide a precise test of the assumed constancy of the fundamental constants of physics. We have investigated potential changes in the fine-structure constant, alpha, and the proton-to-electron mass ratio, mu. The many-multiplet method allows one to use optical fine-structure transitions to constrain (Delta alpha)/alpha at better than the 10^(-5) level. We present a new analysis of 154 quasar absorbers with 0.2 < z <3.7 in VLT/UVES spectra. From these absorbers we find 2.2 sigma evidence for angular variations in alpha under a dipole+monopole model. Combined with previous Keck/HIRES observations, we find 4.1 sigma evidence for angular (and therefore spatial) variations in alpha, with maximal increase of alpha occurring in the direction RA=(17.3 +/- 1.0) hr, dec=(-61 +/- 10) deg. Under a model where the observed effect is proportional to the lookback-time distance the significance increases to 4.2 sigma. Dipole models fitted to the VLT and Keck samples and models fitted to z<1.6 and z>1.6 sub-samples independently yield consistent estimates of the dipole direction, which suggests that the effect is not caused by telescope systematics. We consider a number of systematic effects and show that they are unable to explain the observed dipole effect. We have used spectra of the quasars Q0405-443, Q0347-383 and Q0528-250 from VLT/UVES to investigate the absorbers at z=2.595, 3.025 and 2.811 in these spectra respectively. We find that (Delta mu)/mu=(10.1 +/- 6.6) x 10^(-6), (8.2 +/- 7.5) x 10^(-6) and (-1.4 +/- 3.9) x 10^(-6) in these absorbers respectively. A second spectrum of Q0528-250 provides an additional constraint of (Delta mu)/mu=(0.2 +/- 3.2_stat +/- 1.9_sys) x 10^(-6). The weighted mean of these values yields (Delta mu)/mu=(1.7 +/- 2.4) x 10^(-6), the most precise constraint on evolution in mu at z>1.

研究の動機と目的

• クェーサー吸収スペクトルを用いて、宇宙の時間的・空間的変動の可能性を検証する。
• 高分解能可視光分光法を用いて、αの潜在的な空間的（角度的）変動を調査する。
• 高赤方偏移クェーサーにおける分子水素遷移を用いて、μの進化を制約する。
• 波長校正誤差や同位体組成の進化といった系統的誤差を評価する。
• マルコフ連鎖モンテカルロ法を含む高度な統計的手法を適用し、クェーサー分光データ解析におけるパrameter推定を改善する。

提案手法

• クェーサー吸収系における可視光微細構造遷移を分析するため、多数多重法を用いた。
• 赤方偏移 0.2 < z < 3.7 の154個の吸収体のVLT/UVESスペクトルを用い、∆α/αを測定した。
• ∆α/αおよびその不確実性を的確に推定するために、マルコフ連鎖モンテカルロ技術を適用した。
• クェーサー Q0405−443、Q0347−383、Q0528−250 の高赤方偏移 H₂ 吸収線を分析し、∆μ/μ を制約した。
• データに空間的変動の有無をテストするため、ドーナツ型およびモノポール型モデルをフィットした。
• 繰り返しトリミングと系統的チェックを実施し、外れ値や機器効果の影響を除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空における微細構造定数αの空間的変動の証拠はあるか？
• RQ2 観測されたαの変動は、望遠鏡の波長校正やデータ還元における系統的誤差に起因するのか？
• RQ3 高赤方偏移（z > 1）領域で陽子対電子質量比μは進化しているか？
• RQ4 VLTおよびKeckデータの両方において、αのドーナツ型方向が一貫しているか？
• RQ5 マルコフ連鎖モンテカルロ法は、∆α/αおよび∆μ/μの推定精度と信頼性を向上させられるか？

主な発見

• 154個のVLT/UVESクェーサー吸収体の解析から、αのドーナツ型空間的変動の2.2σの証拠が得られた。
• Keck/HIRESデータと併せた解析では、有意性が4.1σに上昇し、αの最大増加はRA = 17.3 ± 1.0 時間、Dec = −61 ± 10° に向かう。
• VLTおよびKeckのサンプルを別々にフィットした場合でもドーナツ型方向が一致しており、望遠鏡の系統的誤差の可能性が低いことが示された。
• 外れ値とされる∆α/α値を繰り返しトリミングしてもドーナツ型効果は安定しており、結果の頑健性が裏付けられた。
• z > 1 におけるµの重み付き平均は ∆μ/μ = (1.7 ± 2.4) × 10⁻⁶ であり、これまでで最も高精度な制約である。
• 波長スケールの歪みやMg同位体の進化といった系統的誤差は、観測されたαのドーナツ型変動を説明できない。