[論文レビュー] Bimetric Extension of General Relativity and Phenomenology of Dark Matter

Laura Bernard, Luc Blanchet|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、2種類のダークマターが重力フォトン場を介して結合する二重計量一般相対性理論の拡張を提案し、銀河スケールにおけるΛ-CDM宇宙論とMOND的力学を両方再現する。このモデルは、ダークマター媒体の重力的極化によって実現され、非相対論的極限においてMOND的挙動を示す一方で、太陽系における標準的な後ニュートンパラメータを保持する。

ABSTRACT

We propose a relativistic model of dark matter reproducing at once the concordance cosmological model $\Lambda$-Cold-Dark-Matter ($\Lambda$-CDM) at cosmological scales, and the phenomenology of the modified Newtonian dynamics (MOND) at galactic scales. To achieve this we postulate a non-standard form of dark matter, consisting of two different species of particles coupled to gravity via a bimetric extension of general relativity, and linked together through an internal vector field (a graviphoton) generated by the mass of these particles. We prove that this dark matter behaves like ordinary cold dark matter at the level of first order cosmological perturbation, while a pure cosmological constant plays the role of dark energy. The MOND equation emerges in the non-relativistic limit through a mechanism of gravitational polarization of the dark matter medium in the gravitational field of ordinary matter. Finally we show that the model is viable in the solar system as it predicts the same parametrized post-Newtonian parameters as general relativity.

研究の動機と目的

• Λ-CDM宇宙論の成功と銀河力学におけるMONDの経験的成功を統合すること。
• 粒子的ダークマターを仮定せずに、大規模構造と銀河回転曲線の両方を再現する相対論的ダークマター理論を構築すること。
• MOND的挙動が、内部のベクトル結合を持つ基本的な二重計量重力フレームワークから生じる現象的性質として説明できるかを明らかにすること。
• 太陽系における重力のテストに適合するように、標準的なパrametrized post-Newtonian（PPN）パラメータを保持すること。

提案手法

• 2つの計量場を持つ二重計量重力理論を仮定し、それぞれが別個のダークマター種に結合する。
• 質量を通じて2つのダークマター成分の間の相互作用を媒介する内部ベクトル場（重力フォトン）を導入する。
• 理論の非相対論的極限を導出し、ダークマター媒体の重力的極化によってMOND方程式が出現することを示す。
• 1次までの宇宙論的摂動解析を実施し、モデルが大スケールでΛ-CDMの挙動を再現することを確認する。
• パラメータ化された後ニュートンパラメータ（PPN）を計算し、太陽系の観測と整合することを検証する。
• 宇宙定数がモデル内でダークエネルギーとして自然に機能し、標準的なΛ-CDMの背景進化を維持することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2種類のダークマター種を持つ二重計量重力モデルは、Λ-CDM宇宙論的背景および摂動進化を再現できるか？
• RQ2 ダークマター媒体の重力的極化は、非相対論的極限においてMOND的力学を引き起こすか？
• RQ3 弱い場の領域、特に太陽系においてモデルはどのように振る舞い、標準的なPPNパラメータを保持するか？
• RQ4 重力フォトン場は、ダークマター媒体の内部力学を媒介する役割を果たすか？
• RQ5 モデルは、微調整を必要とせず、銀河スケールの回転曲線と大規模構造形成の両方を同時に説明できるか？

主な発見

• モデルはΛ-CDM宇宙論的背景および1次摂動を再現し、大規模構造観測と整合することが確認された。
• 非相対論的極限において、ダークマター媒体が重力的極化を示し、MOND方程式が出現する。このことにより、銀河回転曲線が説明できる。
• パラメータ化された後ニュートンパラメータは一般相対性理論と一致し、太陽系での妥当性が保証された。
• 宇宙定数は自然にダークエネルギーの役割を果たし、標準的な背景進化を維持した。
• 重力フォトンを介して結合する2種類のダークマター種は、宇宙論的スケールでは寒冷ダークマターとして振る舞い、銀河スケールではMOND的挙動を示す。
• 出現するMOND的挙動は、重力の根本的修正からではなく、ダークマター媒体の内部構造から生じる。