[论文解读] Observations of type 1a supernovae are consistent with a static universe

David F. Crawford|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2009

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文认为，传统上被解释为宇宙膨胀和暗能量证据的Ia型超新星观测，同样与静态宇宙模型一致。通过将总辐射能量（辐射通量）视为真正的标准汽灯，并考虑距离模数中的选择效应，该模型在不依赖时间膨胀的前提下解释了光变曲线宽度-红移依赖关系，得出哈勃常数为 $63.1 \pm 2.5$ km s⁻¹ Mpc⁻¹。

ABSTRACT

Analysis of type 1a supernovae observations out to a redshift of $z$=1.6 shows that there is good agreement between the light-curve widths and $(1+z)$ which is usually interpreted as a strong support for time dilation due to an expanding universe. This paper argues that a strong case can be made for a static universe where the supernovae light-curve-width dependence on redshift is due to selection effects. The analysis is based on the principle that it is the total energy (the fluence) and not the peak magnitude that is the best `standard candle' for type 1a supernovae. A simple model using a static cosmology provides an excellent prediction for the dependence of light curve width on redshift and the luminosity-width relationship for nearby supernovae. The width dependence arises from the assumption of constant absolute magnitude resulting in strong selection of lower luminosity supernovae at higher redshifts due to the use of an incorrect distance modulus. Using a static cosmology, curvature-cosmology, and without fitting any parameters the analysis shows that the total energy is independent of redshift and provides a Hubble constant of $63.1\pm2.5$ kms$^{-1}$ Mpc$^{-1}$. There is no indication of any deviation at large redshifts that has been ascribed to the occurrence of dark energy.

研究动机与目标

• 挑战将Ia型超新星光变曲线宽度-红移相关性解释为膨胀宇宙中宇宙学时间膨胀的主流观点。
• 提出在距离模数估计中因假设峰值星等恒定而产生的选择效应，可在静态宇宙中解释观测到的宽度-红移依赖关系。
• 证明总辐射能量（辐射通量）而非峰值星等，是Ia型超新星的最佳标准汽灯。
• 检验基于曲率的静态宇宙模型是否能在不引入暗能量或时间膨胀的前提下重现超新星数据。
• 仅使用观测数据且不进行自由参数拟合，推导出与曲率宇宙学预测一致的哈勃常数。

提出的方法

• 使用Union超新星数据集（Kowalski等，2008年），包含 $0.015 \leq z \leq 1.551$ 范围内的B波段星等、拉伸因子和 $B-V$ 色指数。
• 引入重新定义的宽度参数 $w = (1+z)s$，其中 $s$ 为拉伸因子，用于建模光变曲线展宽。
• 通过将0.139（拉伸）和0.118（星等）以平方和开方方式加入标称误差，以匹配观测到的均方根散布，纠正了误差低估的问题。
• 采用基于曲率宇宙学的静态宇宙模型（Crawford，2006年，2009a年），其中哈勃红移源于光子在弯曲时空中的能量损失，满足 $\frac{1}{E}\frac{dE}{ds} = -\left(\frac{8\pi G N M_H}{c^2}\right)^{1/2}$。
• 推导距离模数为 $\mu_{CC} = 5\log[\sqrt{3}\sin(\chi)] + 2.5\log(1+z) - 5\log(h) + 42.384$，其中 $\chi = \ln(1+z)/\sqrt{3}$。
• 通过公式 $H = 51.69 N^{1/2}$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ 计算哈勃常数，其中 $N$ 为氢原子数密度，并将 $R = \sqrt{3}c/H$ 拟合至观测数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静态宇宙模型中，是否可以在不依赖宇宙学时间膨胀的前提下解释Ia型超新星光变曲线宽度与红移之间的观测依赖关系？
• RQ2 总辐射能量（辐射通量）是否比峰值星等更可靠地作为Ia型超新星的标准汽灯？
• RQ3 因对峰值星等假设错误而产生的距离模数估计中的选择效应，是否可解释表观的宽度-红移趋势？
• RQ4 一种避免暗能量和暗物质的曲率宇宙学模型，是否能与标准膨胀宇宙模型一样良好地重现观测到的超新星数据？
• RQ5 当将静态宇宙模型拟合至Union超新星数据集且不进行自由参数调优时，所隐含的哈勃常数值是多少？

主要发现

• 当考虑因错误距离模数假设而产生的选择效应后，Ia型超新星的观测宽度-红移相关性在静态宇宙模型中依然成立。
• 在静态模型中，总辐射能量（辐射通量）与红移无关，证实其作为标准汽灯优于峰值星等。
• 从数据中推导出的哈勃常数为 $63.1 \pm 2.5$ km s⁻¹ Mpc⁻¹，与曲率宇宙学预测的 $64.4 \pm 0.2$ km s⁻¹ Mpc⁻¹ 非常吻合。
• 在高红移区（$z \leq 1.551$）未观察到与静态模型的偏离，与数据中存在暗能量信号的说法相矛盾。
• 该模型成功重现了高红移超新星的观测密度分布，而无需假设超新星生成率的异常演化。
• 分析表明，当正确考虑选择效应和基于辐射通量的标准化后，标准模型为解释高红移数据而需要暗能量的论断并不成立。