[論文レビュー] Can Modified Gravity (MOG) explain the speeding Bullet (Cluster)?

J. W. Moffat, Viktor T. Toth|arXiv (Cornell University)|May 15, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ダークマターを必要とせずに、バングルクランスターで観測された高い接近速度（約3,000 km/s）をモーファンの修正重力（MOG）理論が説明できるかを調査する。二重体相互作用における修正された結合パラメータを用いた近似MOG加速度則を用いて、4.6 Mpcでの予測接近速度が約3,300 km/sに達することを発見した。これは流体力学的シミュレーションと整合しており、MOGが衝突する銀河団の力学を、衝突不能なダークマターを仮定せずに説明できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

We apply our scalar-tensor-vector (STVG) modified gravity theory (MOG) to calculate the infall velocities of the two clusters constituting the Bullet Cluster 1E0657-06. In the absence of an applicable two-body solution to the MOG field equations, we adopt an approximate acceleration formula based on the spherically symmetric, static, vacuum solution of the theory in the presence of a point source. We find that this formula predicts an infall velocity of the two clusters that is consistent with estimates based on hydrodynamic simulations.

研究の動機と目的

• ダークマターを必要とせずに、バングルクランスターで観測された3,000 km/sの高い接近速度をMOGが説明できるかどうかを評価すること。
• MOGが大スケールで重力を強化するメカニズムが、銀河団衝突の流体力学的シミュレーションで観測された力学的挙動を説明できるかどうかを検討すること。
• このような系に対するMOG場方程式の正確な解が存在しないことから、MOGにおける二重体モデルを構築すること。
• MOGにおける二つの巨大な銀河団の間の非線形相互作用が、ニュートン的予想をはるかに上回る重力的引力を顕著に増大させることをテストすること。
• MOGの有効重力定数とベクトル場の範囲の修正が、観測されたX線の形状と銀河団の速度を一致させることに十分かどうかを評価すること。

提案手法

• 二つの巨大な銀河団間の重力加速度を近似するために、MOGの球対称的・静的真空解を基盤として採用すること。
• MOG加速度則を用いる：a = (G_N M / r^2) [1 + α - α(1 + r/r_0) e^(-r/r_0)] で、αとr_0は銀河団質量Mから導出される。
• レンズ効果から得られるM_baryon / M_total比を用いてバリオン質量を推定し、MOG計算からダークマターを除外すること。
• 便宜的にMOGパラメータを修正：α = (1 + α_1)(1 + α_2) - 1 および各銀河団の(1 + α_i)によるr_0の調整を行い、非線形二重体効果をモデル化すること。
• エネルギー保存則と運動量保存則を用いて、無限遠で静止していたと仮定した場合の接近速度を計算し、修正されたMOG力則に基づく。
• 得られた速度が流体力学的シミュレーションで要求される3,000 km/sと一致するかどうかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは、ダークマターを仮定せずに、バングルクランスターで観測された約3,000 km/sの接近速度を再現できるか？
• RQ2 二つの巨大な銀河団の間でMOGが重力を非線形的に強化することで、予測される接近速度が顕著に増大するか？
• RQ3 強化された結合定数と範囲を有する修正されたMOG加速度則は、ニュートン的重力と比較して、銀河団の力学をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 球対称的MOG解が、衝突する銀河団の二重体力学をどの程度適切に近似できるか？
• RQ5 MOGにおける有効重力定数は、観測されたX線の明るさと形状を説明するのに十分か？

主な発見

• バリオン質量のみを用いたニュートン的計算では、4.6 Mpcでの接近速度が980 ± 40 km/sに予測され、観測されたX線特徴を説明するには不十分である。
• バリオン質量のみを用いた標準的なMOG加速度則を用いると、接近速度は約1,620 km/sに予測されるが、依然として必要な3,000 km/sに達しない。
• 有効結合定数と範囲を増大させる便宜的な非線形修正を導入することで、予測される接近速度は約3,300 km/sに上昇する。
• この結果は、流体力学的シミュレーションで要求される3,000 km/sの速度範囲内にあり、観測と整合的である。
• 正確な二重体解が存在しないという点で定性的な一致ではあるが、MOGがダークマターを伴わないバングルクランスターの力学を説明する代替的妥当な理論である可能性を示唆している。
• 本研究は、現在開発中のMOG場方程式の正確な二重体解の必要性を強調している。