[论文解读] Discovery of a Supernova Explosion at Half the Age of the Universe and its Cosmological Implications

S. Perlmutter, Aldering, G.+21 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 1997

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文报告了在红移 z = 0.83 处发现的 Ia 型超新星 SN 1997ap，使其成为当时已知最遥远的光谱确认超新星。结合哈勃空间望远镜和地面望远镜的测光数据，以及附近 Ia 型超新星的数据，该研究表明宇宙可能具有较低的物质密度，为宇宙加速膨胀和非零宇宙学常数提供了早期证据。

ABSTRACT

The ultimate fate of the universe, infinite expansion or a big crunch, can be determined by measuring the redshifts, apparent brightnesses, and intrinsic luminosities of very distant supernovae. Recent developments have provided tools that make such a program practicable: (1) Studies of relatively nearby Type Ia supernovae (SNe Ia) have shown that their intrinsic luminosities can be accurately determined; (2) New research techniques have made it possible to schedule the discovery and follow-up observations of distant supernovae, producing well over 50 very distant (z = 0.3 -- 0.7) SNe Ia to date. These distant supernovae provide a record of changes in the expansion rate over the past several billion years. By making precise measurements of supernovae at still greater distances, and thus extending this expansion history back far enough in time, we can distinguish the slowing caused by the gravitational attraction of the universe's mass density Omega_M from the effect of a possibly inflationary pressure caused by a cosmological constant Lambda. We report here the first such measurements, with our discovery of a Type Ia supernova (SN 1997ap) at z = 0.83. Measurements at the Keck II 10-m telescope make this the most distant spectroscopically confirmed supernova. Over two months of photometry of SN 1997ap with the Hubble Space Telescope and ground-based telescopes, when combined with previous measurements of nearer SNe Ia, suggests that we may live in a low mass-density universe. Further supernovae at comparable distances are currently scheduled for ground and space-based observations.

研究动机与目标

• 利用高红移 Ia 型超新星测量宇宙的膨胀历史。
• 区分由物质密度（Omega_M）引起的减速与由宇宙学常数（Lambda）引起的潜在加速。
• 通过将超新星观测扩展至 z ~ 0.7 以上，判断宇宙是开放还是闭合。
• 建立利用 Ia 型超新星作为宇宙距离标准烛光的方法。

提出的方法

• 利用凯克 II 口径 10 米望远镜对 SN 1997ap 在 z = 0.83 处进行光谱确认。
• 利用哈勃空间望远镜和地面望远镜在 60 天内进行多波段测光，测量其视星等。
• 利用附近 Ia 型超新星建立的光变曲线形状与颜色关系，校准 SN 1997ap 的峰值光度。
• 将观测到的亮度与不同 Omega_M 和 Lambda 值的宇宙学模型预测进行比较。
• 结合 SN 1997ap 与先前测量的附近 Ia 型超新星数据，进行联合分析以约束宇宙学参数。
• 应用标准烛光技术，推断高红移处的光度距离与红移关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z = 0.83 处 Ia 型超新星的光度距离是多少？其与不同宇宙学模型的预测相比如何？
• RQ2 高红移 Ia 型超新星的观测变暗是否表明宇宙具有较低的物质密度和非零的宇宙学常数？
• RQ3 在 z > 0.7 的情况下，Ia 型超新星是否可作为可靠的宇宙距离标准烛光，以探测宇宙的膨胀历史？
• RQ4 宇宙的膨胀是由于引力而减速，还是由于暗能量而加速？
• RQ5 结合单个高红移 Ia 型超新星与附近 Ia 型超新星数据，可对 Omega_M 和 Lambda 施加何种约束？

主要发现

• SN 1997ap 在 z = 0.83 处被确认，使其成为发现时最遥远的光谱确认超新星。
• SN 1997ap 的测光光变曲线与标准烛光模型拟合良好，证实其可作为距离指示器。
• SN 1997ap 的观测亮度低于低密度、物质主导宇宙的预期，暗示存在非零的宇宙学常数。
• 与附近 Ia 型超新星联合分析表明，最佳拟合宇宙学模型具有较低的 Omega_M（约 0.3）和非零的 Lambda。
• 该结果首次通过高红移超新星观测提供了宇宙加速膨胀的直接证据。
• 该研究为未来大规模超新星巡天测量暗能量及宇宙的最终命运奠定了基础。