[論文レビュー] Testing Cosmological General Relativity against high redshift observations

John G. Hartnett, Firmin J. Oliveira|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2006

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 16被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、高赤方偏移Ia型超新星データに対して一般相対性理論の宇宙論的応用（CGR）を検証し、ダークエネルギーもダークマターを仮定せずに距離関係を導出する。結果として、局所的物質密度Ωₘ = 0.0401 ± 0.0199が得られ、バリオン物質と整合的であり、宇宙の加速を説明するためのダークエネルギーを必要としない遷移赤方偏移zₜ = 1.095⁺⁰.²⁶⁴₋₀.¹⁵⁵が得られた。

ABSTRACT

Several key relations are derived for Cosmological General Relativity which are used in standard observational cosmology. These include the luminosity distance, angular size, surface brightness and matter density. These relations are used to fit type Ia supernova (SNe Ia) data, giving consistent, well behaved fits over a broad range of redshift $0.1 < z < 2$. The best fit to the data for the local density parameter is $Ω_{m} = 0.0401 \pm 0.0199$. Because $Ω_{m}$ is within the baryonic budget there is no need for any dark matter to account for the SNe Ia redshift luminosity data. From this local density it is determined that the redshift where the universe expansion transitions from deceleration to acceleration is $z_{t}= 1.095 {}^{+0.264}_{-0.155}$. Because the fitted data covers the range of the predicted transition redshift $z_{t}$, there is no need for any dark energy to account for the expansion rate transition. We conclude that the expansion is now accelerating and that the transition from a closed to an open universe occurred about $8.54 { m Gyr}$ ago.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移観測データ、特にIa型超新星に対して宇宙論的一般相対性理論（CGR）を検証すること。
• 観測された宇宙の加速が、ダークエネルギーもダークマターを導入せずに説明可能かどうかを特定すること。
• CGRにおける距離関係（光度距離および角度距離）を導出し、SNe Iaデータと比較すること。
• 宇宙膨張の減速から加速への遷移が起こる赤方偏移を特定すること。
• モデルがバリオン物質密度および宇宙年齢と整合的であるかを評価すること。

提案手法

• 相対論的時間加法則を用いてCGRにおける光度距離を導出し、𝒟ₗ = r(1+z)(1 - t²/τ²)⁻¹/²が得られる。
• 物質密度の進化をΩ = Ωₘ(1+z)³としてモデル化し、Ωₘをフィッティングの自由パラメータとする。
• CGRとFRW理論間のフラックス等価性から導かれる角度サイズ距離関係を用いる。
• 理論的距離モジュラスをCGRに基づき、0.1 < z < 2の範囲で観測されたSNe Iaの明るさ-赤方偏移データにフィットさせる。
• トランスセンドentalなΩの形を数値フィッティング可能にするために2次近似を適用する。
• 減速から加速への遷移時刻を特定するため、宇宙時間関係式tₜ = τ[(1+zₜ)² - 1]/[(1+zₜ)² + 1]を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的一般相対性理論は、ダークエネルギーもダークマターを仮定せずに高赤方偏移SNe Iaデータを説明可能か？
• RQ2 SNe Ia観測と整合的であるCGRにおける局所的物質密度パラメータΩₘの最良適合値は何か？
• RQ3 CGRフレームワークにおいて、宇宙が減速から加速に遷移する赤方偏移は何か？
• RQ4 CGRにおける光度距離は標準的なFRWモデルとどのように異なり、その物理的起源は何か？
• RQ5 観測された遷移赤方偏移zₜはデータ範囲内に収まっており、モデルの妥当性を支持するか？

主な発見

• 最良適合の局所的物質密度パラメータはΩₘ = 0.0401 ± 0.0199であり、バリオン物質の予備的見積もりと整合的で、ダークマターの導入は不要である。
• 減速から加速への遷移赤方偏移はzₜ = 1.095⁺⁰.²⁶⁴₋₀.¹⁵⁵であり、観測された赤方偏移範囲0.1 < z < 2.0に含まれる。
• 遷移は約8.54⁺⁰.⁹⁰³₋₀.⁶⁶²ギガ年以前に起こり、現在からの宇宙時間tₜ = 8.54ギガ年に対応する。
• モデルは全赤方偏移範囲0.1 < z < 2.0にわたりSNe Iaデータを一貫してフィットし、ダークエネルギーも宇宙定数の導入は不要である。
• 推定された現在の宇宙の質量はM₀ = (1.74 ± 0.86) × 10²¹ M☉であり、平均物質密度はρₘ = (3.92 ± 1.94) × 10⁻³¹ g cm⁻³である。
• モデルはΩₘ < 1のオープンで加速する宇宙を支持しており、Ω > 1からΩ < 1への遷移はデータと物理的に整合的である。