[论文解读] Can Dust Segregation Mimic a Cosmological Constant?

Jakob T. Simonsen, Steen Hannestad|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文研究了灰尘——即使光线变红程度低于标准尘埃的尘埃颗粒——是否可能通过导致遥远Ia型超新星的观测黯淡，而模拟出宇宙学常数的效应。通过高红移星系中尘埃颗粒喷射的数值模拟，发现非球形或长形颗粒无法在不同时喷射变色尘埃的情况下被选择性地发射，因此除非颗粒足够大且呈球形，否则灰尘并非一种合理的解释，而这一情况仍属于理论可能性。

ABSTRACT

Recent measurements of type Ia supernovae indicate that distant supernovae are substantially fainter than expected from the standard flat cold dark matter model. One possible explanation is that the energy density in our universe is in fact dominated by a cosmological constant. Another possible solution is that there are large amounts of grey dust in the intergalactic medium. Dust grains can be grey either because they are non-spherical or very large. We have numerically investigated whether grey dust can be emitted from high redshift galaxies without also emitting standard, reddening dust, which would have been visible in the spectra of high redshift objects. Our finding is that grain velocities are almost independent of ellipticity so that if greyness are due to the grains being elongated, it will not be possible to separate grey dust from ordinary dust. We also find that velocities are fairly independent of grain size, but we cannot rule out possible sputtering of small grains, so that large, grey dust grains could be preferentially emitted. Therefore, our conclusion is that grey dust is an unlikely explanation of the data, but we cannot rule it out if the grey dust consists of large, spherical grains.

研究动机与目标

• 探讨宇宙空间中灰尘是否可解释高红移Ia型超新星的观测黯淡，而无需引入宇宙学常数。
• 评估此类灰尘是否可从高红移星系中选择性喷射，而不伴随标准变色尘埃的喷射。
• 确定非球形或大颗粒形状的灰尘可被选择性从星系中喷射的物理条件。
• 评估颗粒速度与大小在决定尘埃分离作为暗能量替代机制的可行性中的作用。

提出的方法

• 使用数值模拟来在各种物理条件下模拟高红移星系中尘埃颗粒的喷射。
• 计算颗粒速度作为颗粒大小和形状（球形与非球形）的函数，以评估其对几何形状和质量的依赖性。
• 模型检验了非球形颗粒（如长形颗粒）是否可在不同时喷射标准变色尘埃的情况下被发射，后者在光谱中可被探测到。
• 研究了小颗粒的剥蚀过程的影响，这可能导致大颗粒、灰尘的优先喷射。
• 分析重点在于，所产生的尘埃群体是否可在不违反变色观测约束的前提下，产生观测到的超新星黯淡效应。
• 结果与Ia型超新星的观测数据以及高红移天体光谱的约束进行了对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 灰尘颗粒能否从高红移星系中喷射，而不同时喷射在光谱中可探测到的标准变色尘埃？
• RQ2 尘埃颗粒的形状（如长形）是否显著影响其喷射速度，从而实现灰尘的选择性喷射？
• RQ3 颗粒大小在多大程度上影响喷射速度，以及其对大颗粒、灰尘优先喷射的可能性有何影响？
• RQ4 剥蚀过程是否能选择性地去除小颗粒，从而留下大颗粒、灰尘颗粒，使其可模拟宇宙学常数？
• RQ5 尘埃分离是否在物理上可能产生观测到的超新星黯淡效应，而无需引入宇宙学常数？

主要发现

• 颗粒速度几乎与颗粒椭圆度无关，意味着非球形颗粒无法在不同时喷射变色尘埃的情况下被选择性喷射。
• 颗粒速度对颗粒大小仅有微弱依赖性，表明仅靠大小无法实现灰尘的选择性喷射。
• 小颗粒的剥蚀过程不能被排除，这可能使大颗粒、灰尘随时间优先喷射。
• 大而球形的灰尘颗粒的选择性喷射仍属于理论可能性，可模拟宇宙学常数。
• 然而，对于非球形或长形颗粒，灰尘的喷射不可避免地会伴随可探测的变色尘埃，使该机制在观测上不一致。
• 因此，尽管灰尘不能被完全排除，但除非颗粒足够大且呈球形，否则它并非超新星数据的合理解释。