GRBで探る
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GRBで探る ダークエネルギー - Dark Energy in Dark Age - PowerPoint PPT Presentation


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GRBで探る ダークエネルギー - Dark Energy in Dark Age -. 高橋慶太郎 @GRBワークショップ 2010年 8月27日. 目次 1、暗黒エネルギー 2、距離梯子 3、GRB宇宙論. 1、暗黒エネルギー. 宇宙の大きさの歴史 傾き:宇宙の膨張速度    ハッブルパラメータ. 宇宙の大きさ  a. 宇宙は加速膨張 しているようだ。 → 暗黒エネルギー. 過去          現在  時間(10億年). 宇宙の構成成分. エネルギー密度. radiation. matter. 宇宙定数. 0.7 0.3

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GRBで探る ダークエネルギー - Dark Energy in Dark Age -

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Presentation Transcript


GRBで探る

ダークエネルギー

- Dark Energy in Dark Age -

高橋慶太郎

@GRBワークショップ

2010年8月27日


目次

1、暗黒エネルギー

2、距離梯子

3、GRB宇宙論


1、暗黒エネルギー


宇宙の大きさの歴史

傾き:宇宙の膨張速度

   ハッブルパラメータ

宇宙の大きさ a

宇宙は加速膨張

しているようだ。

→ 暗黒エネルギー

過去          現在 時間(10億年)


宇宙の構成成分

エネルギー密度

radiation

matter

宇宙定数

0.7

0.3

0.0001

時間

z=3000 z~1


da/dt

膨張宇宙の基本

宇宙定数なし

宇宙定数あり

フリードマン方程式

光度距離

光度距離

加速膨張すると同じzに

対して距離が大きくなる。

→ 暗くみえる


光度距離

遠くの天体の距離→ 昔の宇宙膨張速度

ただし光度距離は現在からzまでの宇宙膨張を

積分したようなもの

距離とredshiftの関係(Hubble diagram)を

測ると宇宙の構成物がわかる。


Hubble diagram

暗い

宇宙定数なしでは

合わない!

Perlmutter et al. (1998)


パラメータ決定

z = 0.5, 1, 3, 10で距離が5%の

精度で測定できた時の制限

SNIaだけでがんばるより他の

観測を組み合わせる方が効果的

Perlmutter et al.

(1998)


宇宙膨張を測る

宇宙膨張を測る方法

・距離を測る

‐光度距離:SNIa、GRB

‐角径距離:バリオン振動、宇宙背景放射

・構造形成を見る(後でコメント)

 初期条件(CMB)から現在までに構造形成が

 どのくらい進んだか。

 構造形成:重力・宇宙膨張のせめぎあい

‐物質優勢 → 構造形成が進む

‐放射優勢・加速膨張 → 構造形成がゆっくり

 *銀河の空間分布スペクトル

 *銀河団数密度(SZ、X線)

 *weak lensing


astro-ph/0609591


astro-ph/0609591


現在までの制限


状態方程式

宇宙定数は本当に「定数」か?

w=-1でないときには

エネルギー密度は

時間変化する。

matter (w=0)

w=-0.9

-1

-1.1

w<-1はphantom

と言ったりする

時間


時間変化する状態方程式

wも時間変化する?

どんな関数形でもよいが、

よく使われるのは次の形。

WMAP7yrs

matter (w=0)

w = 0 → -1

(w0 = -1, wa = 1)

時間


ダークエネルギーモデルの分類

w(z)をどういう関数形にするか?

1、データ解析的モデル

  ・constant w

  ・w(z) = w0 + wa z/(1+z)

2、現象論的モデル(たいていスカラー場)

  ダークエネルギーにまつわる謎を説明するモデル

  ・山ほどモデルがある

  ・fine-tuning:tracker model

  ・coincidence:oscillating (undulant) model

3、物理的モデル

  ダークエネルギー以外でモチベーションのあるモデル

  ・ブレーンワールド

  ・ゴースト凝縮

  ・cyclic universe


ダークエネルギーの謎

・fine-tuning problem

・coincidence problem

radiation

matter

初期宇宙で

ものすごい

微調整

なぜ今物質と

暗黒エネルギーが

同程度?

宇宙定数

z=3000 z=1 z=0 時間


Quintessence

●標準理論ではヒッグス場だけ

●大統一理論、超対称性、超弦理論などで山ほど登場

●2つのアプローチ

 ・都合のいいスカラー場を用意して、素粒子理論に期待

 ・素粒子理論で実際に登場するものを使う

ポテンシャルで

宇宙論的性質が決まる


tracker model

Steinhardt et al.

(1999)

ある種類のポテンシャルで

面白いことが起こる

・tracker solution

 優勢成分より少しゆっくり

 エネルギー密度が落ち、

 どこかで追いつく

・アトラクタ的ふるまい

fine-tuning problemを

 解決

・coincidence problemは

 解決できない


tracking oscillating model

17

-35

加速膨張はこれまで2回あった:10 sec と 10 sec

→ その間に加速膨張はなかったのか?

Dodelson et al. (2000)

・trackingpotentialに

 振動を加える

・スカラー場がtracker解の

 まわりで振動

・周期的に加速膨張

・今はそのうちの1つ

 → coincidence problem

   の解決??

こういうモデルは

GRBで制限するほかない


まとめ

●宇宙は現在加速膨張している

●宇宙定数だとするとパラメータはかなり決まっている

●宇宙定数は物理的にはとても不自然

 → 何らかのダイナミクスを考えるのが自然

●GRB宇宙論でめざすもの

 ・これまでの他の観測のクロスチェック

  (宇宙論には思わぬsystematic errorがつきもの)

 ・現在まあまあよく決まっているパラメータを

  もっと精密に決める(w = -1?)

 ・GRBでしか観測できないhigh redshiftの宇宙から

  ダークエネルギーのダイナミクスを探る

17

-35

10 sec と 10 secの間に加速膨張はなかったのか?

“Dark Energy in Dark Age”


補足

「一般相対論が間違っている」という可能性もある

Modified Gravity

・ブレーンワールド

・f(R) gravity

・Lifshitz gravity

・超弦理論的重力

→ “Dark Energy vs. Modified Gravity”

どうやって区別するのか?

距離

               膨張速度

構造形成   一般相対論

一般相対論が

間違っていると

2つの方法で

測った膨張速度

が異なる。

距離測定と構造形成を組み合わせると

一般相対論を超える重力理論を探索できる


2、距離梯子


標準光源(standard candle)

天体の距離と赤方偏移との

間の関係が知りたい

天体の明るさがあらかじめ

わかっていれば、見かけの

明るさから距離がわかる。

しかし天体の絶対的な

明るさは普通わからない。


cosmic distance ladder①

三角測量で距離がわかっている

セファイドで周期・光度関係式を出し、

遠くのセファイドに適用する

セファイド変光星

三角測量

1pc 1kpc 1Mpc   距離

間接的に銀河までの距離を測ることができる


cosmic distance ladder②

セファイドで距離が

わかっている銀河

(にある超新星)で

何か関係式を作って

遠方にも適用する

超新星、銀河…

セファイド変光星

三角測量

1pc 1kpc 1Mpc 1Gpc   距離

セファイドを使って銀河・超新星などを標準光源として

calibrationする。


Ia型超新星

暗いものは

早く暗くなる

銀河1つ分の

明るさ!

減光時間で補正

するととてもよい

標準光源となる

白色矮星にガスが降着


2次的距離指標

セファイドから決めた2次的な距離指標からさらに遠方の天体の距離を

決定

→ 400Mpcまでの

Hubble diagram

Freedman et al. 2001

Riess et al. (2009)


さらに遠くを見ると

宇宙の膨張速度は時間変化する。

Freedman方程式

暗黒エネルギーの密度パラメータ

ハッブル定数

物質の密度パラメータ

(Ωm, ΩΛ)

(1, 0)

(0.3, 0)

(0.3, 0.7)

近傍の天体(z~0)では

ハッブル定数だけが重要。

もっと遠くの天体までの

距離を測ると密度パラメータ

に関する情報が得られる。

H(z)/H0

HST key project

redshift


遠方SNIaの観測

Riess et al. 2007

・307個のSNIaによる制限

・暗黒エネルギーの存在を示唆

・CMB・BAOと合わせると

 かなりパラメータが決まる


さらにさらに遠くへ

暗黒エネルギーの発見はすごいこと。

しかしその正体を考えようとすると情報が少なすぎる。

今のところ定数で観測と矛盾しない。

しかしそれは比較的小さなzでの話。


cosmic distance ladderを伸ばす

GRBは宇宙の果てで起こっても見える。

GRBでHubble diagramを拡張して

暗黒エネルギーの正体を探りたい。

20

GRB~10 Lsun

10

Ia型超新星~10 Lsun

3

セファイド変光星~10 Lsun

三角測量

1pc 1kpc 1Mpc 1Gpc   距離


3、GRB宇宙論

with Tsutsui, Nakamura, Yonetoku, Murakami


redshift分布

Swift衛星によって観測されたGRBの赤方偏移分布

SNIaはこの辺まで

・現在のGRBの最高赤方偏移はz = 8.2

・dark ageをGRBで探索する


明るさ分布

明るさにかなりの

ばらつきがある。

→ 標準光源には

  ならない?

標準光源

・セファイド

 変光周期と明るさ

・Ia型超新星

 減光時間と明るさ

GRBにもこのような

相関があるのか?


スペクトル

Band spectrum

 ・2つのpower lawを

  指数関数でつなぐ

 ・peak energy Ep

  ~ 10keV – 1MeV

∝ Eα

∝ Eβ

ピークエネルギー (Ep)


GRB correlation

GRBの明るさとスペクトルのピークエネルギーとの相関が

いくつか提唱されている。(Amati、Ghirlanda、Yonetoku)

ピークエネルギーが

大きいほど明るい

ただしこれらの関係式は宇宙論モデルを決めて

得られたもの。これをそのまま使うことはできない。


近傍での関係式の確立

z < 1.5ではIa型超新星によって

距離が測られている。そこで

まずz < 1.5のGRBだけを使って

相関を見てみる。

確かに相関はある。

これがもっと遠方の

GRBにも成り立つと

仮定する。

→ Hubble diagramを

  より遠方に伸ばす


GRB Hubble diagram

Yonetoku relationを用いたHubble diagram

Tsutsui, KT et al., 2009

・z < 1.5 → 33個

・z > 1.5 → 30個

・SNIaより数が少なく

 誤差も大きいが

 遙かに遠くまで

 距離を測定


GRBによる制限①

contourの形がGRBと

SNIaで異なる。重ねると

制限が強くなる。まだ

GRBの数も少なく精度も

よくないのであまり強い

制限にはならない。

しかしSNIaの2003年

程度のレベルには到達

している!


GRBによる制限②


最近の発展

どうしたらもっと強い制限をつけられるか?

・もっと遠くまで見る

‐新しい衛星を作る

・統計誤差を減らす

 → GRBの数を増やす(low zもmid zも)

‐じっと待つ

‐新しい衛星を作る

・系統誤差を減らす

‐進化効果

‐検出器によるselection効果

‐新たな関係式を探す

‐よいデータだけを使う

 → 筒井講演


まとめ

GRB宇宙論

 ・ピークエネルギーと「明るさ」の相関

  → これによってGRBを標準光源として使用可能

 ・cosmic distance ladderをもう1つ伸ばす

  三角測量 → セファイド → Ia型超新星 → GRB

 ・GRBで暗黒エネルギーの時間変化を探る

  → 暗黒エネルギーの正体にせまる

 ・distance ladderの方法だけで宇宙論パラメータを

  決める

  → CMB・BAOなどのクロスチェック

 ・今のところGRBの数が少ない

 ・系統誤差を理解する努力をする

Probing Dark Energy in Dark Age with GUNDAM!!


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