[论文解读] Do we really see a cosmological constant in the supernovae data ?

Marie-Noëlle Célérier|ArXiv.org|Jul 15, 1999

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 163

一句话总结

本文挑战了将Ia型超新星数据视为正宇宙学常数的决定性证据的传统解释，表明在零Λ宇宙中，大尺度非均匀性也能重现观测到的星等-红移关系。研究指出，当前数据尚无法区分具有宇宙学常数的均匀宇宙与不具宇宙学常数的非均匀宇宙，强调需要更高红移、更精确的超新星数据，以检验宇宙学原理及暗能量的本质。

ABSTRACT

The magnitude-redshift relation is one of the tools for a direct observational approach to cosmology. The discovery of high redshift Type Ia supernovae (SNIa) and their use as ``standard candles'' has resurrected interest in this approach. Recently collected data have been used to address the problem of measuring the cosmological parameters of the universe. Analysed in the framework of homogeneous models, they have yielded, as a primary result, a strictly positive cosmological constant. However, a straight reading of the published measurements, conducted with no a priori idea of which model would best describe our universe at least up to redshifts $z\sim 1$, does not exclude the possibility of ruling out the Cosmological Principle - and cosmological constant - hypotheses. It is therefore shown here how the large scale homogeneity of this part of the universe can be tested on our past light cone, using the magnitude-redshift relation, provided sufficiently accurate data from sources at redshifts approaching $z=1$ would be available. An exemple of an inhomogeneous model with zero cosmological constant reproducing the current observations is given. The presently published SNIa data can thus be interpreted as implying either a strictly positive cosmological constant in a homogeneous universe or large scale inhomogeneity with no constraint on $Λ$. An increase in the number and measurement accuracy of the candidate ``standard candles'' at very high redshift is therefore urgently needed, for progress in both fundamental issues of the Cosmological Principle and cosmological constant.

研究动机与目标

• 评估高红移Ia型超新星观测到的星等-红移关系是否真正意味着存在正的宇宙学常数。
• 研究宇宙学原理——特别是大尺度空间均匀性——是否能通过超新星数据进行观测验证。
• 探索不假设均匀性的数据解释方式，特别是零宇宙学常数下的非均匀模型。
• 提出一种基于高精度超新星数据（z ≈ 1）在过去光锥上检验大尺度均匀性的方法。
• 强调亟需提升高红移数据的质量与数量，以解决宇宙学模型选择中的根本性模糊性。

提出的方法

• 将Ia型超新星的星等-红移关系作为宇宙几何结构的直接观测探针进行分析。
• 比较弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）模型与勒梅特-托尔曼-邦迪（LTB）非均匀模型的预测结果。
• 利用LTB模型框架构建一个球对称、非均匀但宇宙学常数为零的宇宙模型，使其能重现观测到的星等-红移数据。
• 假设Ia型超新星具有标准烛光行为，同时承认前身星演化或尘埃消光等潜在系统效应。
• 提出一种基于不同红移区间星等-红移数据一致性来检验大尺度均匀性的方法，前提是具备足够高的数据精度。
• 依赖于这样一个事实：尽管FLRW与LTB模型可模拟相同的距离-红移关系，但其对对称性与均匀性的基本假设存在本质差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 高红移Ia型超新星观测到的星等-红移关系，是否能被具有正宇宙学常数的均匀宇宙或零宇宙学常数的非均匀宇宙同样良好地解释？
• RQ2 在观测到的CMBR各向同性与哥白尼假说的前提下，当前超新星数据在多大程度上能排除宇宙学原理？
• RQ3 基于仅依赖超新星数据，可采用何种观测标准来区分均匀的FLRW模型与非均匀的LTB模型？
• RQ4 关于宇宙学常数的结论对源演化与距离测量假设的敏感程度如何？
• RQ5 为明确检验大尺度宇宙均匀性，需在数据质量与红移覆盖范围方面实现哪些改进？

主要发现

• 当前的超新星数据并未排除在大尺度非均匀宇宙中宇宙学常数为零的可能性，这通过一个能拟合观测结果的构造性LTB模型得到证明。
• 非零宇宙学常数并非解释观测到的星等-红移关系的唯一可能；大尺度非均匀性也能产生类似效应。
• 弗里德曼距离-红移关系是确认宇宙学原理的必要条件，但非充分条件，因为非均匀模型在特定条件下可模仿该关系。
• 非均匀模型与均匀模型在拟合星等-红移关系时存在退化现象，意味着仅凭数据本身无法在缺乏额外约束的情况下加以区分。
• 在未首先确立大尺度均匀性之前，无法确认非零宇宙学常数的存在，反之亦然。
• 为解决均匀性与宇宙学常数之间的模糊性，必须增加在红移接近z=1时的标准烛光数量及其测量精度。