[論文レビュー] Alternatives to dark matter: Modified gravity as an alternative to dark matter

Jacob D. Bekenstein|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 9被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、低加速度における重力の修正によって暗黒物質の代替として有効な相対論的拡張であるテンソル・ベクトル・スカラー（TeVeS）理論を提案している。TeVeSは、重力の修正を通じて、暗黒物質や暗黒エネルギーを必要とせず、銀河の回転曲線、重力レンズ効果、宇宙論的観測——構造形成や遅い時期の加速を含む——を再現可能である。スカラー・テンソル・ベクトルの枠組みにフィードバック機構を組み込むことで、暗黒物質の役割が代替される。

ABSTRACT

The premier alternative to the dark matter paradigm is modified gravity. Following an introduction to the relevant phenomenology of galaxies, I review the MOND paradigm, an effective summary of the observations which any theory must reproduce. A simple nonlinear modified gravity theory does justice to MOND at the nonrelativistic level, but cannot be elevated to the relativistic level in a unique way. I go in detail into the covariant tensor-vector-theory (TeVeS) which not only recovers MOND but can also deal in detail with gravitational lensing and cosmology. Problems with MOND and TeVeS at the level of clusters of galaxies are given attention. I also summarize the status of TeVeS cosmology.

研究の動機と目的

• 修正重力、特にTeVeSが、天体物理学的および宇宙論的スケールで暗黒物質のパラダイムに代わる有効な代替手段であるかどうかを調査すること。
• 相対論的レベルでのMONDの限界を克服するため、完全に共変な理論を構築すること。
• TeVeSが平坦な回転曲線、バリオンTully-Fisher関係、銀河団における重力レンズ効果といった主要な観測を、暗黒物質を含まずに再現できるかどうかをテストすること。
• TeVeS宇宙論が、暗黒エネルギーも暗黒物質も導入せず、構造形成と遅い時期の宇宙の加速を説明できるかどうかを評価すること。
• 宇宙論的摂動理論とレンズ効果調査において、TeVeSと一般相対性理論を比較し、観測的に検証可能な差を特定すること。

提案手法

• スカラー場、ベクトル場、計量テンソルを組み込んだテンソル・ベクトル・スカラー（TeVeS）理論を用いて、MONDの相対論的一般化を構築する。
• TeVeSの非相対論的極限としてのAQUAL（A Quadratic Lagrangian）形式を用い、銀河内でのMOND的力学をモデル化する。
• TeVeSの完全な共変形式を用いて宇宙論的摂動を計算し、宇宙マイクロ波背景と大規模構造データとの比較を可能にする。
• Fourierソルバーなどの数値ソルバーを用いて、1E0657–56やCl0024+17のような銀河団系における重力レンズ効果をシミュレートする。
• TeVeS宇宙論におけるニュートリノの質量と宇宙定数の役割を分析し、観測されたパワー スペクトルとハッブル膨張を一致させる。
• 弱いレンズ効果と銀河密度とCMB非等方性の相互相関を用いて、TeVeSの予測と一般相対性理論を比較し、観測的差異を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TeVeSのような相対論的重力理論は、暗黒物質を必要とせず、観測された平坦な銀河の回転曲線を再現できるか？
• RQ2 1E0657–56 や Cl0024+17 といった系において、TeVeSは、衝突不能な暗黒物質成分を必要とせず、銀河団における重力レンズ効果をどの程度よく説明できるか？
• RQ3 TeVeS宇宙論は、暗黒物質や暗黒エネルギーを導入せず、観測された宇宙マイクロ波背景のパワー スペクトルと大規模構造形成を再現できるか？
• RQ4 TeVeSにおけるスカラー場およびベクトル場の摂動が、構造形成と遅い時期の宇宙加速をどのように駆動するか？
• RQ5 弱いレンズ調査や銀河密度とCMB非等方性の相互相関といった観測的テストによって、TeVeSと一般相対性理論を区別できるか？

主な発見

• TeVeSは、バリオンTully-Fisher関係の勾配が正確に4に一致し、バリオン質量が6桁のスケールにわたり観測と一致する。
• 1E0657–56団では、純粋にバリオン物質の分布だけではレンズ効果を説明できないが、2 eVのニュートリノのような衝突不能成分を含めると説明可能であり、シミュレーションではそのような成分の必要性が示唆される。
• Cl0024+17では、銀河や高温ガスとは一致しないリング状の質量分布が観測されており、MONDではそのような分布を再現可能であり、TeVeSでも2 eVニュートリノを用いてモデル化可能であるが、完全なTeVeSモデルの構築はまだ残されている。
• Skordis（2006）は、質量のあるニュートリノと宇宙定数を含めることで、TeVeSが観測された宇宙マイクロ波背景のパワー スペクトルと大規模構造を、暗黒物質を必要とせず再現できることを示した。
• DodelsonとLiguori（2006）は、TeVeSにおけるベクトル場の摂動が構造形成を駆動できることを発見し、ベクトル場が構造形成における暗黒物質の役割を果たす可能性があると示唆した。
• Zhao（2006）は、TeVeS関数Fの特定の選択により、初期期の冷たい暗黒物質の振る舞いと遅い時期の加速を再現する宇宙論的モデルが得られ、暗黒物質や暗黒エネルギーを一切必要としないことを示した。