[論文レビュー] A rolling tachyon field for both dark energy and dark halos of galaxies

Marie-Bernadette Causse|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、弦理論から導かれるローリングtachyon場を、ダークエネルギーとダークマターの両方を統一的に説明する候補として提案する。ニュートン的枠組みでtachyon場をモデル化することで、6つの渦巻銀河の回転曲線にフィットし、観測データと良好な一致を示した—これは、複雑なスカラー場やMONDと同等の精度である。これにより、銀河スケールの力学と宇宙論的加速の両方を説明する可能性が示された。

ABSTRACT

Distance measurements to type Ia supernovae (SNe Ia) indicate that the universe is accelerating and it is spatially flat. Otherwise, the rotation curves for galaxies or galaxy clusters reveal the existence of a dark matter component. Then, approximately 0.35 of the total energy density of the universe consists of dark matter, and 0.65 of the energy density corresponds to dark energy. These two dark components of the universe have different properties such that: dark matter clusters gravitationally at galactic scales while dark energy, dominating at large scale, does not cluster gravitationally. It seems difficult to find a candidate which explains the observations at both large and small scales. In this paper we take into account a scalar field, more precisely a rolling tachyon arising from string theory, which seems be capable to explain the observations at different scales. We examine this scalar field behavior at galactic scales and we fit the rotational curve data of spiral galaxies. Our results are comparable with the curves obtained on one hand from a complex scalar field, which only plays the role of the dark matter at galactic scales, and on the other hand from the MOND model.

研究の動機と目的

• ストリング理論に由来する1つのtachyon場が、大スケールの宇宙論的ダークエネルギーと、銀河スケールのダークマターの両方を同時に説明できるかどうかを調査すること。
• Padmanabhan & Choudhury (2003)が提示した特定のtachyon場モデルの妥当性を、観測された渦巻銀河の回転曲線を再現できるかテストすること。
• 観測された回転曲線データへのフィット性能を、複雑なスカラー場やMONDといった既存の代替モデルと比較すること。
• 特に高・低速度銀河において、最大回転速度（v_max）に与えるモデルの感受性を評価すること。
• スケール依存の性質（大スケールではダークエネルギー、小スケールではクラスタリングするダークマター）を示す1つの場が、微調整なしにダークマターとダークエネルギーの謎を同時に解決できるか評価すること。

提案手法

• ストリング理論から導かれた特定のポテンシャル形を持つtachyonスカラー場のラグランジアンを採用し（Padmanabhan & Choudhury, 2003）、時間に依存する状態方程式を許容する。
• tachyon場の重力的ポテンシャルをニュートン近似で取り扱い、銀河内での円運動速度プロファイルを計算する。
• 全回転曲線を、可視物質、中性水素（HI）、およびtachyonダークマター・ホールの寄与の和としてモデル化する。
• 6つの渦巻銀河の観測された回転曲線データに、tachyon場の振幅とスケール長を変化させながらフィットし、残差を最小化する。
• tachyonモデルの予測を、複雑なスカラー場（Ψ(r,t) = P(r)e^(-iωt)）とMONDモデルの予測と直接比較する。
• 最大観測回転速度（v_max）を、異なる銀河タイプや光度におけるモデル性能の診断指標として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストリング理論に由来する1つのtachyon場が、追加のダークマター成分を必要とせずに、観測された渦巻銀河の平坦な回転曲線を再現できるか？
• RQ2 特に密度プロファイルと速度曲線の形状の観点から、tachyon場の振る舞いは、銀河スケールにおける標準的ダークマターモデルとどのように異なるか？
• RQ3 tachyonモデルは、さまざまな銀河質量と速度をカバーする回転曲線データへのフィット性能において、MONDや複雑なスカラー場モデルと同等に機能するか？
• RQ4 特に高回転速度銀河（例：NGC2841）において、tachyonモデルのフィット品質が最大観測回転速度（v_max）にどれほど感受性を示すか？
• RQ5 tachyon場が、一貫した理論的枠組みの中で、宇宙論的加速（ダークエネルギー）と銀河スケールの重力的クラスタリング（ダークマター）の両方を同時に説明できるか？

主な発見

• tachyonモデルは、NGC2903とNGC7331の観測された回転曲線を、ほとんどの領域で10%以内の良好な一致で再現した。
• NGC2403（v_max = 136 km/s）とNGC3198（v_max = 157 km/s）では、tachyonモデルが観測値より約10–15%低い速度を予測したが、これは複雑なスカラー場モデルと同様の傾向であった。
• NGC6503（v_max = 121 km/s）では、tachyonモデルが外縁部で顕著な欠損を示し、データを再現できなかった。これは、複雑なスカラー場とMONDモデルの結果とも一致した。
• NGC2841（v_max = 326 km/s）では、tachyonモデルが内側の回転曲線を約30%、外側領域を約20%低く予測した。これは、複雑なスカラー場モデルの性能と類似していた。
• MONDモデルは、NGC3198では15%の過大予測、NGC2841の内側領域では15%の過大予測を示し、逆の系統的誤差を示していた。
• 全体として、tachyonモデルは複雑なスカラー場モデルおよびMONDモデルと同等の性能を示しており、統合的ダークマターとダークエネルギーの候補として妥当であると考えられる。