[論文レビュー] The Hubble constant and new discoveries in cosmology

S. H. Suyu, Tommaso Treu+23 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2012

Relativity and Gravitational Theory被引用数 32

ひとこと要約

この論文は、ダークエネルギー、ニュートリノ物理学、一般相対性理論の検証のために、ハッブル定数（$H_0$）の1%の精度と正確性を達成することが不可欠であると主張している。Cepheid、TRGB、Ia型超新星、メーザー、時間遅れレンズ、BAO/CMBといった複数の独立した距離指標を評価し、システムティクスの制御を強化し、誤差予算を厳密に設定し、異なる手法間での相互検証を実施することで、1%の$H_0$が達成可能であることを示している。

ABSTRACT

We report the outcome of a 3-day workshop on the Hubble constant (H_0) that took place during February 6-8 2012 at the Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, on the campus of Stanford University. The participants met to address the following questions. Are there compelling scientific reasons to obtain more precise and more accurate measurements of H_0 than currently available? If there are, how can we achieve this goal? The answers that emerged from the workshop are (1) better measurements of H_0 provide critical independent constraints on dark energy, spatial curvature of the Universe, neutrino physics, and validity of general relativity, (2) a measurement of H_0 to 1% in both precision and accuracy, supported by rigorous error budgets, is within reach for several methods, and (3) multiple paths to independent determinations of H_0 are needed in order to access and control systematics.

研究の動機と目的

• より精密かつ正確な$H_0$の測定が、基本的物理を探る上で科学的に説得力を持つかどうかを評価すること。
• 複数の独立した手法を用いて、$H_0$の1%の測定が精度と正確性の両面で達成可能かどうかを評価すること。
• 多様な距離指標にわたるシステムティクスを特定し、制御することで、$H_0$推定値の堅牢性と独立性を確保すること。
• $H_0$の不確実性を低減し、ダークエネルギー、空間曲率、ニュートリノ質量に対するより厳しい制約を得ること。
• 未知のシステムティクスを検出・緩和し、局所的測定とCMBに基づく測定との間の矛盾を解消するため、$H_0$への複数の独立したアプローチを推進すること。

提案手法

• 赤外線領域のCepheid変光星を用いて距離分散を5%（0.1 mag）にまで低減し、より良いキャリブレータ標本を用いることで、1%の$H_0$精度を達成すること。
• 赤トレイヤー星の先端（TRGB）法を適用し、距離の正確性を5%（0.1 mag）に達成することで、Cepheid距離の独立的検証を行うこと。
• 赤外線Ia型超新星の距離をCepheidおよびメーザーのキャリブレーションと組み合わせることで、$H_0$の不確実性を約3%まで低下させ、より多くのキャリブレータとより良いモデリングにより1%への道筋を確保すること。
• 表面輝度フラクチュエーション（SBF）を用い、距離の散らばりを1.5%に制御するが、小標本に限る。システムティクスの定量的評価がさらに必要である。
• 活動銀河核における水メーザーの幾何的距離を活用し、現在10%の精度を有するが、より多くのシステムの発見とディスクモデルの改善により1%に到達する可能性がある。
• 重力レンズの時間遅れ測定を用いて距離の精度を5%に達成し、$H_0$の不確実性を約7%にまで低下させ、複数のレンズ系の比較とシステムティクスの制御により1%への道筋を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の能力を超えて、$H_0$を1%の精度と正確性で測定する科学的根拠は何か？
• RQ2 複数の独立した手法が、$H_0$の測定において1%の精度と正確性を達成可能であるか。その際の主要なシステムティクスは何か？
• RQ3 1%の$H_0$事前分布が、ステージIIIおよびIVの実験におけるダークエネルギーおよび宇宙論的パラメータの予測において、図の優位性（FoM）をどの程度向上させるか？
• RQ4 CMBやBAOといった高赤方偏移プローブは、$H_0$を直接測定しているのか。独立した$H_0$測定がそれらの宇宙論的制約をどのように改善するのか？
• RQ5 宇宙年代計測器の微分的年齢測定は、$H(z)$において1%の正確性を達成可能か。他の手法と比較してどうなるか？

主な発見

• Cepheid、TRGB、SN Ia、メーザー、時間遅れレンズといった複数の手法において、システムティクスを厳密に制御すれば、$H_0$の1%の精度と正確性は達成可能である。
• 1%の正確な$H_0$事前分布を追加することで、ダークエネルギー実験の図の優位性（FoM）が約40%向上し、ステージIIIおよびIVの調査の価値が顕著に向上する。
• 現在の手法では$H_0$が10%の精度で測定されており、68〜79 km s⁻¹ Mpc⁻¹の範囲に収まっている。歴史的な論争にもかかわらず、驚くべき一貫性を示している。
• 重力レンズの時間遅れ測定は現在約5%の距離精度を達成しており、$H_0$の不確実性は約7%に相当する。数百のレンズ系とシステムティクスのチェックを用いることで、1%への到達が可能である。
• 今後のBAO調査（例：BOSS、BigBOSS）は、赤方偏移チャンクごとに$D_A$および$H(z)$の測定で約1%の精度に達するが、結果の妥当性を検証するためには独立した解析と多様な銀河サンプルの必要がある。
• 局所的測定とCMB/BAOに基づく推定との間に生じている矛盾を解消するには、複数の手法による独立的かつ相互検証された$H_0$測定が不可欠であり、新物理の兆候を示している可能性がある。