[論文レビュー] Chameleon $f(R)$ gravity on the Virgo cluster scale

C. Corbett Moran, Romain Teyssier+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Hu-Sawickiのシャンデュールモデルを用いて、$f(R)$重力の最高解像度N体ズームシミュレーションを実施し、ベータ・クラスターに類似したクラスタにおける速度分散およびレンズ効果プロファイルが、$f(R)$モデルと$\Lambda$CDMを区別可能であることを示した。主な結果として、低赤方偏移において、特にF4およびF5モデルにおいて、修正重力効果が衛星集団で強く検出可能であり、環境によるスクリーニング効果は特に大半径領域および解像度が低い準銀河団で顕著であった。

ABSTRACT

Models of modified gravity offer promising alternatives to the concordance $Λ$CDM cosmology to explain the late-time acceleration of the universe. A popular such model is $f(R)$ gravity, in which the Ricci scalar in the Einstein-Hilbert action is replaced by a general function of it. We study the $f(R)$ model of Hu & Sawicki (2007), which recovers standard General Relativity in high density regimes, while reproducing the desired late-time acceleration at cosmological scales. We run a suite of high resolution zoom simulations using the ECOSMOG code to examine the effect of $f(R)$ gravity on the properties of a halo that is analogous to the Virgo cluster. We show that the velocity dispersion profiles can potentially discriminate between $f(R)$ models and $Λ$CDM, and provide complementary analysis of lensing signal profiles to explore the possibility to further distinguish the different $f(R)$ models. Our results confirm the techniques explored by Cabre et al. (2012) to quantify the effect of environment in the behavior of $f(R)$ gravity, and we extend them to study halo satellites at various redshifts. We find that the modified gravity effects in our models are most observable at low redshifts, and that effects are generally stronger for satellites far from the center of the main halo. We show that the screening properties of halo satellites trace very well that of dark matter particles, which means that low-resolution simulations in which subhalos are not very well resolved can in principle be used to study satellite properties. We discuss observables, particularly for halo satellites, that can potentially be used to constrain the observational viability of $f(R)$ gravity.

研究の動機と目的

• 高解像度のシミュレーションを用いて、クラスタスケールにおけるシャンデュール$f(R)$重力の妥当性を調査すること。
• 速度分散やレンズ信号といった観測可能な性質が、$f(R)$モデルと$\Lambda$CDMを区別できるかどうかを検証すること。
• 赤方偏移にわたるハローの衛星に及ぼされるスクリーニング機構の環境依存性を検討すること。
• サブハローにおけるスクリーニングを予測するための代理指標（$|\phi_{\rm{ext}}|$および$D_{11}$）の信頼性を評価すること。
• 弱い$f(R)$モデル（例：F6）が、観測的に$\Lambda$CDMと区別可能である条件を特定すること。

提案手法

• Hu-Sawickiの$f(R)$重力モデルに従い、ECOSMOGコードを用いてベータ・クラスターに類似したハローの高解像度N体ズームシミュレーションを実施した。
• 複数の赤方偏移および$f(R)$モデルパラメータ（F4, F5, F6）において、表面密度および視線方向速度分散プロファイルの時間的変化を追跡した。
• レンズ信号プロファイルを計算し、$f(R)$重力の予測と$\Lambda$CDMとの比較を行い、観測による区別可能性を評価した。
• 第5力の効果を定量化するために、スクリーニングパラメータ$\Delta_M$および環境プロキシ$|\phi_{\rm{ext}}|$と$D_{11}$を定義・分析した。
• スカラーフィールドのスクリーニングが、クラスターコアのような高密度領域で第5力を抑制することを、シャンデュール機構を用いてモデル化した。
• 各赤方偏移におけるハローのポテンシャル深さと背景の$f_R$値を比較することで、スクリーンドからアンスクリーンド領域への遷移を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベータ・クラスターに類似したクラスタにおける速度分散プロファイルは、$f(R)$重力モデルと$\Lambda$CDMを信頼性高く区別できるか？
• RQ2 $f(R)$重力におけるレンズ信号プロファイルは$\Lambda$CDMとどのように異なり、モデルパラメータの制約に利用できるか？
• RQ3 衛星銀河におけるスクリーニングの環境依存性は何か？また、赤方偏移に伴いどのように変化するか？
• RQ4 観測可能な量$|\phi_{\rm{ext}}|$は、$f(R)$重力における衛星銀河のスクリーニング状態を信頼性高く予測できるか？
• RQ5 特に低赤方偏移において、弱い$f(R)$モデル（例：F6）が観測的に$\Lambda$CDMと区別可能である程度はどの程度か？

主な発見

• F4およびF5の$f(R)$モデルの速度分散プロファイルは、$\Lambda$CDMおよびF6モデルと明確に区別可能であり、特に高赤方偏移で顕著である。
• レンズ信号プロファイルは補助的な区別に寄与し、中程度の赤方偏移でF4とF5モデルを区別可能にした。
• 各赤方偏移において、シャンデュールスクリーニングが失敗する特徴的な半径が存在し、その半径は全モデルで時間とともに縮小する。
• ハロー外の粒子は、全モデルおよび全赤方偏移で一般的にスクリーンドでないため、低密度環境では強い第5力効果が顕在する。
• 主ハローからの大半径に位置する衛星銀河では、弱い$f(R)$モデル（例：F6）において第5力効果が強化され、外縁部に近づくほど増大する。
• 観測可能な量$|\phi_{\rm{ext}}|$は、衛星のスクリーニング状態を信頼性高く予測する優れたプロキシであるが、$D_{11}$近傍基準はサブハローに対してはやや効果が薄い。