[论文解读] Constraints on Cosmological Models from Hubble Space Telescope Observations of High-z Supernovae

P. Garnavich, R. Kirshner+18 more|CERN Bulletin|Oct 13, 1997

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 13

一句话总结

本文利用哈勃空间望远镜对三个高红移Ia型超新星（z ≈ 0.5–0.97）的测光数据，对宇宙学参数进行约束，应用从低红移样本校准的光变曲线形状和颜色修正。结果表明，仅靠物质无法使宇宙闭合，当Ω_Lambda = 1 - Ω_matter时，以超过95%的置信度表明Ω_matter < 1，支持非零宇宙学常数的存在。

ABSTRACT

We have coordinated Hubble Space Telescope photometry with ground-based discovery for three supernovae: two SN Ia near z~0.5 (SN 1997ce, SN 1997cj) and a third event at z=0.97 (SN 1997ck). The superb spatial resolution of HST separates each supernova from its host galaxy and leads to good precision in the light curves. The HST data combined with ground-based photometry provide good temporal coverage. We use these light curves and relations between luminosity, light curve shape, and color calibrated from low-z samples to derive relative luminosity distances which are accurate to 10% at z~0.5 and 20% at z=1. The redshift-distance relation is used to place constraints on the global mean matter density, Omega_matter, and the normalized cosmological constant, Omega_Lambda. When the HST sample is combined with the distance to SN 1995K (z=0.48), analyzed by the same precepts, it suggests that matter alone is insufficient to produce a flat Universe. Specifically, for Omega_matter+Omega_Lambda=1, Omega_matter is less than 1 with &gt;95% confidence, and our best estimate of Omega_matter is -0.1 +/- 0.5 if Omega_Lambda=0. Although the present result is based on a very small sample whose systematics remain to be explored, it demonstrates the power of HST measurements for high redshift supernovae.

研究动机与目标

• 利用哈勃空间望远镜测光数据测量高红移Ia型超新星的亮度距离，以实现宇宙学约束。
• 通过测量Ω_matter和Ω_Lambda，检验仅靠物质是否能产生平坦宇宙。
• 评估结合地面望远镜发现与后续观测的HST数据在距离测量中的精度。
• 评估高红移超新星光变曲线数据在不同Ω_matter和Ω_Lambda假设下与标准宇宙学模型的一致性。
• 展示尽管样本量较小，HST在高精度超新星宇宙学研究中的可行性与强大潜力。

提出的方法

• 哈勃空间望远镜提供高分辨率成像，以隔离超新星并最小化宿主星系的污染。
• 地面望远镜巡天发现超新星，随后由HST进行测光，以实现精确的光变曲线测量。
• 利用基于低红移样本校准的峰值光度、光变曲线形状与颜色之间的经验关系分析光变曲线。
• 在z ≈ 0.5时相对亮度距离的精度达到10%，在z = 1时达到20%。
• 在假设宇宙平坦的前提下，利用红移-距离关系约束Ω_matter和Ω_Lambda。
• 通过统计分析将HST样本与SN 1995K（z = 0.48）结合，以改善参数约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 哈勃空间望远镜对高红移Ia型超新星的观测能否提供精确的亮度距离测量？
• RQ2 当结合非零宇宙学常数时，物质密度Ω_matter是否与平坦宇宙一致？
• RQ3 在z ≈ 0.5–1时观测到的亮度距离关系是否要求存在非零宇宙学常数？
• RQ4 从低红移样本获得的光变曲线形状与颜色修正，在应用于高红移超新星时表现如何？
• RQ5 使用HST进行高红移超新星距离测量时，系统性不确定性的来源是什么？

主要发现

• HST样本结合SN 1995K表明，仅靠物质无法产生平坦宇宙，当Ω_Lambda = 1 - Ω_matter时，以超过95%的置信度表明Ω_matter < 1。
• 若Ω_Lambda = 0，Ω_matter的最佳估计值为-0.1 ± 0.5，强烈表明物质主导宇宙的模型不成立。
• 亮度距离测量在z ≈ 0.5时精度为10%，在z = 1时为20%，足以实现有意义的宇宙学约束。
• 数据支持非零宇宙学常数的存在，与Ω_matter + Ω_Lambda = 1的平坦宇宙要求一致。
• 尽管样本量较小，结果仍证明HST在高精度超新星宇宙学研究中的强大潜力。
• 系统性不确定性的全面探索仍有待完成，但该方法在未来的宇宙学约束中展现出巨大潜力。