[論文レビュー] Attractive and Repulsive Gravity

Philip D. Mannheim|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、重力が宇宙論的距離スケールでは斥力的である可能性を主張し、重力が普遍的に引力的であるという仮定に挑戦している。コンフォーマル重力を用いて、斥力的成分が平坦性問題、水平問題、ダークマター問題、宇宙加速問題、および宇宙定数問題を、観測された銀河運動に一致する普遍的な加速度スケールを導入することで自然に解決できることを示している。

ABSTRACT

We discuss the circumstances under which gravity might be repulsive rather than attractive. In particular we show why our standard solar system distance scale gravitational intuition need not be a reliable guide to the behavior of gravitational phenomena on altogether larger distance scales such as cosmological, and argue that in fact gravity actually gets to act repulsively on such distance scales. With such repulsion a variety of current cosmological problems (the flatness, horizon, dark matter, universe age, cosmic acceleration and cosmological constant problems) are then all naturally resolved.

研究の動機と目的

• 太陽系スケールを越えて重力が普遍的に引力的であるという仮定に挑戦すること。
• 標準一般相対性理論がダークマターを仮定せずに銀河の回転曲線を説明できないという失敗を解決すること。
• 宇宙観測が非ゼロの空間曲率を示唆しており、これは大スケールで重力が斥力的になり得ることを示唆すること。
• コンフォーマル重力が観測データと一致する普遍的な加速度スケールを自然に生成することを示すこと。
• ニュートンおよびアインシュタインの重力の標準的外挿しが、弱い場の太陽系データへの過剰な依存により根本的に誤りである可能性を主張すること。

提案手法

• 局所的ウェイル不変性を備えた一般相対性理論の拡張であるコンフォーマル重力理論を構築し、斥力的重力成分を可能にする。
• 距離に比例する項を含む修正された重力ポテンシャルを導出することで、大スケールで斥力的効果が生じることを示す。
• コンフォーマル重力作用を用いて、観測された銀河運動と一致する普遍的な加速度スケール $ a_0 \sim 10^{-8} \, \text{cm/s}^2 $ を予測する場の運動方程式を導出する。
• コンフォーマル重力の予測を、銀河の回転曲線および質量不一致プロファイルの観測データと比較する。
• 空間曲率が宇宙論的スケールを生成する役割を分析し、平坦な標準宇宙論と対比して、コンフォーマル重力における非ゼロ曲率の特徴を検証する。
• コンフォーマル重力フレームワーク内での宇宙定数問題と宇宙加速問題を評価し、微調整を必要とせず自然に解決されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力が純粋に引力的ではなく、斥力的である条件は何か？
• RQ2 銀河内の観測された質量不一致は、ダークマターを仮定せずに説明可能か？
• RQ3 銀河運動における普遍的な加速度スケールの存在は、重力の根本的修正を示唆するか？
• RQ4 コンフォーマル重力は、平坦性問題、水平問題、および宇宙定数問題を同時に解決できるか？
• RQ5 ニュートンおよびアインシュタインの重力の標準的外挿しが、宇宙論的スケールに物理的に正当化されるか？

主な発見

• コンフォーマル重力は、ポテンシャルにおける $ r $-依存項に起因する大スケールでの斥力的重力成分を予測し、これは平坦な回転曲線を自然に説明する。
• 理論は、観測された銀河運動と一致する普遍的な加速度スケール $ a_0 \sim 10^{-8} \, \text{cm/s}^2 $ を導入する。
• 観測された銀河内の質量不一致（$ M_{\text{dyn}}/M_{\text{lum}} > 1 $）は、軌道加速度が $ 10^{-8} \, \text{cm/s}^2 $ 未満に下がる際に系atically現れ、コンフォーマル重力の予測と一致する。
• 理論は、微調整を必要とせず、小さな有効な宇宙定数を自然に生成することで、宇宙定数問題を解決する。
• 平坦性および水平問題は、コンフォーマル重力に内在する非ゼロの空間曲率のおかげで解決され、構造形成の自然なスケールが得られる。
• 理論は、各銀河ハローごとに自由パrameterを必要とせず、光度物質とコンフォーマル重力ポテンシャルからの直接的な銀河回転曲線の導出により、ダークマターの必要性を回避する。