[論文レビュー] Constraining deviations from Newton's law of gravity on cosmological scales: confrontation to power spectrum of SDSS galaxies

Akihito Shirata, Tetsuya Shiromizu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、SDSS銀河のクラスタリングを用いて、ニュートンの万有引力の法則からのずれを制限し、振幅αと長尺度λで特徴づけられるヤクーポ型修正重力モデルを用いて重力をモデル化している。99.7%信頼水準での制約として、λ = 5h⁻¹Mpcの場合は−0.5 < α < 0.6、λ = 10h⁻¹Mpcの場合は−0.8 < α < 0.9が得られ、宇宙スケールにおける非ニュートン的重力に対する厳密な制限が得られた。

ABSTRACT

In spite of the growing observational evidence for dark matter and dark energy in the universe, their physical nature is still largely unknown. In fact several authors have recently proposed modifications of Newton's law of gravity on cosmological scales as an alternative idea to account for the currently accelerating universe. Inspired by such recent proposals, we attempt to constrain possible deviations from Newton's law of gravity by means of the clustering of SDSS (Sloan Digital Sky Survey) galaxies. To be specific, we assume a simple gravity law model with an additional Yukawa-type term characterized by the amplitude \\alpha and the length scale \\lambda. Adopting spatially-flat universes dominated by cold dark matter and/or dark energy, we solve a linear perturbation equation for density fluctuations. In particular, we find an exact analytic solution in the Einstein -- de Sitter universe. Following the Peacock-Dodds prescription, we compute the nonlinear power spectra of mass fluctuations, perform the statistical comparison with the SDSS galaxy data, and derive the constraints on the \\alpha-\\lambda plane; for instance, we obtain the constraints (99.7% confidence level) of -0.5&lt;\\alpha &lt;0.6 and -0.8&lt;\\alpha&lt;0.9 for \\lambda=5h^{-1}Mpc and 10h^{-1}Mpc, respectively. We also discuss several future directions to improve our analysis in constraining non-Newtonian gravity models.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーを用いずに宇宙の加速度的膨張を説明できる代替重力モデルを検証すること。
• 観測された銀河クラスタリングデータを用いて、宇宙スケールにおけるニュートンの法則からのずれを制限すること。
• 重力にヤクーポ型修正を適用し、SDSS銀河パワースペクトルを用いてその振幅αと範囲λの制約を導出すること。
• ピーカーブ・ドッズの手続きを用いて非線形構造形成を組み込むことで、以前の制約を改善すること。

提案手法

• 重力ポテンシャルにヤクーポ型項を含む修正重力則を仮定し、振幅αと長尺度λでパラメータ化する。
• 冷却した暗黒物質とダークエネルギーで支配される空間的に平坦な宇宙における密度揺らぎの線形摂動方程式を解く。
• 宇宙論的パラメータがΩm = 1、ΩΛ = 0のエインシュタイン＝ド・シッター極限において、パワースペクトルの正確な解析解を導出する。
• ピーカーブ・ドッズの手続きを用いて、線形理論から質量揺らぎの非線形パワースペクトルをモデル化する。
• 予測された非線形パワースペクトルと観測されたSDSS銀河パワースペクトルとの間で統計的比較を行う。
• χ²最小化を用いて、99.7%信頼水準におけるα–λパラメータ空間の制約を求める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SDSS銀河クラスタリングデータと整合するヤクーポ振幅αと範囲λの許容範囲は何か？
• RQ2 ニュートン的重力からのずれは、大規模構造の非線形パワースペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 SDSS銀河パワースペクトルは、どの程度まで宇宙スケールにおける非ニュートン的重力モデルを制限できるか？
• RQ4 特にダークエネルギー密度に依存する仮定された宇宙論的モデルの下で、制約はどのように変化するか？
• RQ5 修正重力モデルの制約をさらに厳密にするために、どのような改善が必要か？

主な発見

• 長尺度λ = 5h⁻¹Mpcの場合、ヤクーポ振幅αの99.7%信頼水準での制約は−0.5 < α < 0.6である。
• より長い範囲λ = 10h⁻¹Mpcの場合、制約は−0.8 < α < 0.9に広がり、99.7%信頼水準となる。
• 制約範囲にα = 0が含まれるため、結果はニュートン的重力と整合しており、矛盾しない。
• この分析は、SDSS銀河パワースペクトルが非ニュートン的重力モデルに対して競争的な制約を提供できることを示している。
• 今後の改善として、非線形効果のより良いモデル化や赤方偏移空間歪みの組み込みが、制約のさらなる厳密化に寄与すると同定された。