[論文レビュー] Cosmological Evidence for Modified Gravity (MOG)

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、スカラータンジェントベクトル重力（STVG）理論に基づく修正重力（MOG）が、初期宇宙におけるダークマターに類似した作用を示す質量のあるスピン1ベクトル場（$\phi_\mu$）を導入することにより、$Λ$CDMモデルにおける宇宙論的緊張を解消すると提案している。この理論は、ダークマターを必要とせずにCMBパワースペクトルおよび大規模構造の成長を説明でき、プランクデータにおけるレンズ効果の異常（$A_{\rm lens} \approx 1.2-1.35$ および $\Sigma_0 - 1 \approx 0.36 \pm 0.18$）を解消し、標準的$Λ$CDMではなく修正重力と整合的である。

ABSTRACT

Deviations from the standard $Λ$CDM model motivate an interpretation of early universe cosmology using the Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) theory. A constraint analysis carried out by Valentino, Melchiorri and Silk, revealed deviations from the growth of structure predicted by General Relativity, and a lensing anomaly in the angular CMB power spectrum data. The modified gravity (MOG) theory resolves the lensing deviation from the standard model and provides an explanation of the CMB and structure growth data.

研究の動機と目的

• CMBレンズ効果の異常および構造成長の異常を含む、$\Lambda$CDMモデルにおける持続的な緊張を、修正重力の代替案によって解消すること。
• 非バリオン的ダークマターを仮定せずに、観測された宇宙マイクロ波背景（CMB）の非均一性および大規模構造を説明すること。
• STVG/MOGフレームワークが、特に$A_{\rm lens}$の異常および$\Sigma_0 - 1$のずれを含む、プランク2015年データを説明できるかどうかをテストすること。
• 修正重力パラメータ$\alpha = G/G_N - 1$が、観測データを統一的重力理論と整合させるのに寄与するかどうかを特定すること。
• MOGから得られるハッブル定数$H_0$が、現在の観測と整合的であり、$H_0$の緊張を解消できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 質量のあるプローカベクトル場$\phi_\mu$を含むSTVGの場の方程式が使用され、標準的な引力に加えて反発的重力的力が寄与する。
• 一般相対性理論からのずれをパラメータライズする$G = G_N(1 + \alpha)$によりポアソン方程式が修正される。
• フィオン粒子の質量（$m_\phi$）はスカラー場$\mu(x)$を介して動的に変化し、初期宇宙では非常に大きく（$m_\phi \gg 10^{-28}$ eV）なっており、今日では超軽量（$m_\phi \sim 10^{-28}$ eV）となる。
• 初期宇宙では$\rho_\phi > \rho_b$が支配的であり、ベクトル場の重力的結合により構造の成長が可能になる。
• 統合サックス＝ホルツ効果は$\delta T/T_{\rm ISW} = \int d\chi \, 2(1+\alpha)\Psi_{,\tau}$としてモデル化され、CMB非均一性と修正されたポテンシャルとの関連が示される。
• データ解析では、プランク2015年の温度および偏光スペクトル、弱レンズ効果、および$\Sigma_0 - 1$、$A_{\rm lens}$、$\alpha$の制約を用い、MOGが$\Lambda$CDMと比較して妥当かどうかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOG理論は、冷たいダークマターを仮定せずに、CMBの角スペクトルおよび大規模構造データを説明できるか？
• RQ2 MOGフレームワークは、$A_{\rm lens}$でパラメータライズされるプランクデータにおける観測されたレンズ効果の異常を解消できるか？
• RQ3 一般相対性理論からの$\Sigma_0 - 1$のずれが、$\Lambda$CDMではなく修正重力の支持にどの程度寄与するか？
• RQ4 フィオン粒子の質量（$m_\phi$）の時間的変化が、MOGにおける初期および遅い宇宙の宇宙論にどのように影響を与えるか？
• RQ5 MOGは、$\Lambda$CDMとの$H_0$緊張を緩和できる一貫したハッブル定数$H_0$の値を提供できるか？

主な発見

• MOG理論は、プランクデータにおける$A_{\rm lens}$の異常を解消し、$A_{\rm lens} \approx 1.2$ から $1.35$ にまで低下させ、修正重力と整合的である。
• プランクTTデータからの制約$\Sigma_0 - 1 = 0.36 \pm 0.18$およびTT+WL+Lensデータからの$0.45^{+0.21}_{-0.17}$は、一般相対性理論からの顕著なずれを示している。
• 修正重力パラメータ$\alpha = G/G_N - 1$は$0.2 \leq \alpha \leq 0.35$に制約され、$\Lambda$CDMよりも強い重力結合を示唆している。
• MOGにおけるハッブル定数は、68%信頼水準で$H_0 = 68.5 \pm 1.1$ km/s/Mpcであり、プランク$\Lambda$CDMの値$67.3 \pm 0.96$よりも高い。
• フィオン粒子の質量は、初期宇宙では$ m_\phi \gg 10^{-28} $ eVから、今日では$ m_\phi \sim 2.6 \times 10^{-28} $ eVにまで減少し、銀河回転曲線およびクラスタの力学的データとの適合と整合的である。
• 理論は、ダークマターを必要とせずに、プランク2015年データおよび大規模構造調査と整合するCMBパワースペクトルおよび物質パワースペクトルを説明している。