[论文解读] Measurements of the deuterium abundance in quasar absorption systems

Scott Burles, David Tytler|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 1998

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文利用高分辨率、高信噪比光谱和Voigt轮廓拟合，测量了高红移类星体吸收系统中的原始氘氢比（D/H）。在 z = 3.572 处测得 D/H = 3.3 ± 0.3 × 10⁻⁵，在 z = 2.504 处测得 D/H = 4.0 ± 0.7 × 10⁻⁵，与单一原始值 3.4 ± 0.3 × 10⁻⁵ 一致，支持标准大爆炸核合成理论及 η = 5.1 ± 0.3 × 10⁻¹⁰ 的均匀重子演化模型。

ABSTRACT

Observational constraints on the primordial deuterium-to-hydrogen ratio (D/H) can test theories of the early universe and provide constraints on models of big bang nucleosynthesis (BBN). We measure deuterium absorption in high-redshift, metal-poor QSO absorption systems and directly infer the value of primordial D/H. We present two measurements of D/H, and find D/H = 3.3 $\pm 0.3 imes 10^{-5}$ at $z=3.572$ towards QSO 1937-1009 and D/H = 4.0 $\pm 0.7 imes 10^{-5}$ at $z=2.504$ towards QSO 1009+2956. Both measurements use multiple-component Voigt profile analysis of high resolution, high signal-to-noise spectra and determinations of the Lyman continuum optical depth in low resolution spectra to constrain the column densities of deuterium and hydrogen. The measurements are consistent with a single primordial value of D/H = $3.4 \pm 0.3 imes 10^{-5}$. This is a relatively low value, which supports homogeneous models of BBN and standard models of galactic chemical evolution. With standard BBN, we find a cosmological baryon-to-photon ratio, $η= 5.1 \pm 0.3 imes 10^{-10}$, and a present-day baryon density in units of the critical density, $Ω_b h_{100}^2 = 0.019 \pm 0.001$.

研究动机与目标

• 约束原始氘氢比（D/H）以检验大爆炸核合成（BBN）理论。
• 在金属丰度低、红移高的类星体吸收系统中测量 D/H，以最小化天体物理污染。
• 根据观测到的 D/H 值推断宇宙学参数，如重子-光子比（η）和重子密度（Ω_b h²）。
• 检验不同红移和吸收系统中 D/H 测量结果的一致性，以验证原始均匀性。

提出的方法

• 对红移 z ≈ 2.5 和 z ≈ 3.6 的类星体吸收系统进行高分辨率、高信噪比光谱观测。
• 采用多组分 Voigt 轮廓拟合来模拟氘和氢的吸收线。
• 利用低分辨率光谱测定莱曼连续电 optical 深度，以约束 D 和 H 的柱密度。
• 联合分析 D 和 H 的柱密度，以最小化系统误差，推导出 D/H。
• 应用标准大爆炸核合成模型，将 D/H 转换为 η 和 Ω_b h² 等宇宙学参数。
• 通过统计误差传播量化 D/H 及推导的宇宙学参数的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高红移、低金属丰度的类星体吸收系统中，原始 D/H 比例如何？
• RQ2 不同类星体系统测得的 D/H 值是否与单一原始值一致？
• RQ3 观测到的 D/H 值对早期宇宙中重子-光子比（η）施加了何种约束？
• RQ4 D/H 测量结果与标准大爆炸核合成模型的预测如何比较？
• RQ5 基于测量到的 D/H，推断的宇宙学重子密度（Ω_b h²）是多少？

主要发现

• 在 QSO 1937-1009 方向，z = 3.572 处测得 D/H 比率为 3.3 ± 0.3 × 10⁻⁵。
• 在 QSO 1009+2956 方向，z = 2.504 处测得 D/H 比率为 4.0 ± 0.7 × 10⁻⁵。
• 两项测量结果与单一原始 D/H 值 3.4 ± 0.3 × 10⁻⁵ 一致。
• 推导出的重子-光子比为 η = 5.1 ± 0.3 × 10⁻¹⁰。
• 当前宇宙的重子密度为 Ω_b h² = 0.019 ± 0.001，与标准 BBN 一致。
• 结果支持大爆炸核合成的均匀模型及标准星系化学演化模型。