[論文レビュー] Dark energy and the mass of the Local Group

A. D. Chernin, P. Teerikorpi+4 more|ArXiv.org|Feb 23, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、宇宙定数 Λ としてのダークエネルギーの反発的（反重力的）効果を考慮に入れた、局所銀河団の自己一貫性のある質量推定器を3つ導入する。カーン＝ウォルトジャー・モデル、ビリアル定理、およびゼロ重力法を修正することで、3.2–3.7×10¹² M☉ の堅牢な質量範囲が得られ、古典的手法と比較してダークエネルギーのおかげで最小質量推定値が3倍に増加する。

ABSTRACT

Dark energy must be taken into account to estimate more reliably the amount of dark matter and how it is distributed in the local universe. For systems several Mpc across like the Local Group, we introduce three self-consistent independent mass estimators. These account for the antigravity effect of dark energy treated as Einstein's cosmological constant Lambda. The first is a modified Kahn-Woltjer model which gives a value of the Local Group mass via the particular motions of the two largest members, the Milky Way and M31. Inclusion of dark energy in this model increases the minimum mass estimate by a factor of three compared to the "classical estimate". The increase is less but still significant for different ways of using the timing argument. The second estimator is a modified virial theorem which also demonstrates how dark energy can "hide" from detection a part of the gravitating mass of the system. The third is a new zero-gravity method which gives an upper limit to the group mass which we calculate with high precision HST observations. In combination, the estimators lead to a robust and rather narrow range for a group's mass, M. For the Local Group, 3.2 < M < 3.7 x 10^{12} M_sun. Our result agrees well with the Millennium Simulation based on the LambdaCDM cosmology.

研究の動機と目的

• ダークエネルギーの反重力的効果が無視されたために生じる銀河団のダークマター質量の系統的過小評価を是正すること。
• 宇宙定数 Λ を局所的運動における反発的力として扱う自己一貫性のある質量推定器を開発すること。
• 高精度のHSTデータを用いて、動的質量推定値をΛCDM宇宙論と一致させること。
• ダークエネルギーが束縛系において重力的質量の一部を「隠蔽」する効果を持つことを示すこと。
• 複数の独立した手法を組み合わせることで、局所銀河団の明確で堅牢な質量範囲を提供すること。

提案手法

• 反発的力としてのダークエネルギーの寄与を含めるように、古典的カーン＝ウォルトジャー2体モデルを修正し、運動方程式にDに比例するΛ依存項を追加する。
• 真空エネルギーの状態方程式 p < 0 に対し、有効重力密度 ρ_eff = ρ + 3p を導入することで、Λの存在下で有効重力が負になることを示す。
• ビリアル定理を修正し、ダークエネルギーの負の圧力の寄与を組み込み、観測される重力的束縛がどのように弱まるかを示す。
• 質量とダークエネルギーの圧力のバランスから導かれる特定半径で合成重力がゼロとなる条件に基づく、新しいゼロ重力法を提案する。
• 高精度HST観測データを用いて、ゼロ重力面の位置を制約し、上界質量限界を求める。
• 3つの独立した手法による結果の妥当性を検証し、局所銀河団の質量範囲を一貫性を持たせて狭く絞り込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙定数 Λ としてのダークエネルギーを含めた場合、カーン＝ウォルトジャー・モデルを用いた局所銀河団の最小質量推定値にどのような影響を与えるか？
• RQ2 修正されたビリアルおよびエネルギーベースの推定器から明らかになるように、ダークエネルギーは銀河団内の重力的質量の一部をどれほど隠蔽するか？
• RQ3 観測データと組み合わせた場合、新しいゼロ重力法は局所銀河団質量の正確な上限を提供できるか？
• RQ4 修正されたカーン＝ウォルトジャー、修正されたビリアル、およびゼロ重力の3つの独立推定器は、どのように一貫した質量範囲に収束するか？
• RQ5 動的質量推定にダークエネルギーを組み込むことで、観測された運動学的挙動とΛCDM宇宙論的シミュレーションとの乖離が解消されるか？

主な発見

• ダークエネルギーを含めた修正カーン＝ウォルトジャー・モデルでは、最小質量推定値が3倍に増加し、M > 3.2×10¹² M☉ が得られた。
• ダークエネルギーを含むタイミング法では、古典的推定値の4.0×10¹² M☉ よりも高い4.5×10¹² M☉ の質量推定値が得られた。
• 修正されたビリアル定理は、ダークエネルギーが有効重力束縛を弱めるため、系の質量の一部が隠蔽されることを示している。
• HSTデータに基づくゼロ重力法により、M < 3.7×10¹² M☉ の明確な上限が得られた。
• 3つの推定器の組み合わせにより、3.2 < M < 3.7×10¹² M☉ の堅牢で狭い質量範囲が得られた。
• この結果は、ΛCDM宇宙論における同様の系のミレニアム・シミュレーションの予測と良好に一致している。