[論文レビュー] Dark matter, a new proof of the predictive power of general relativity

Stéphane Le Corre|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2015

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 42被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、一般相対性理論の線形化近似が、相対論的重力効果によって自然に銀河団内に見えない非発光性質量成分を生成することを提案している。重力の法則や物質分布を変更することなく、暗黒物質を説明する。この効果は太陽系スケールでは無視可能だが、銀河および団スケールでは顕著になり、観測された回転曲線と宇宙論的暗黒物質パラメータを、検証可能な予測とともによく再現する。

ABSTRACT

Without observational or theoretical modifications, Newtonian and general relativity seem to be unable to explain gravitational behavior of large structure of the universe. The assumption of dark matter solves this problem without modifying theories. But it implies that most of the matter in the universe must be unobserved matter. Another solution is to modify gravitation laws. In this article, we study a third way that doesn't modify gravitation neither matter's distribution, by using a new physical assumption on the clusters. Compare with Newtonian gravitation, general relativity (in its linearized approximation) leads to add a new component without changing the gravity field. As already known, this component for galaxies is too small to explain dark matter. But we will see that the galaxies' clusters can generate a significant component and embed large structure of universe. We show that the magnitude of this embedding component is small enough to be in agreement with current experimental results, undetectable at our scale, but detectable at the scale of the galaxies and explain dark matter, in particular the rotation speed of galaxies, the rotation speed of dwarf satellite galaxies, the expected quantity of dark matter inside galaxies and the expected experimental values of parameters $Ω$\_dm of dark matter measured in CMB. This solution implies testable consequences that differentiate it from other theories: decreasing dark matter with the distance to the cluster's center, large quantity of dark matter for galaxies close to the cluster's center, isolation of galaxies without dark matter, movement of dwarf satellite galaxies in planes close to the supergalactic plane, close orientations of spin's vectors of two close clusters, orientation of nearly all the spin's vector of galaxies of a same cluster in a same half-space, existence of very rare galaxies with two portions of their disk that rotate in opposite directions...

研究の動機と目的

• 銀河団のような大規模構造における観測された重力的効果と可視質量の間の不一致を解消すること。
• 一般相対性理論そのものが、重力の法則や物質含量を変更せずに、検出可能な非発光性質量成分を生成できるかどうかを調査すること。
• この相対論的補正が、銀河の回転曲線やCMBから導かれるΩ_dmといった、主要な暗黒物質現象を再現できるかどうかをテストすること。
• 標準の暗黒物質理論や修正重力理論とを区別する、検証可能な予測を導出すること。

提案手法

• 一般相対性理論の線形化近似を用いて、銀河団の相対論的運動量・エネルギーの寄与から生じる追加の重力成分を計算する。
• アインシュタイン＝インフェルト＝ホフマン形式を用いて、銀河団内の重力ポテンシャルをモデル化し、相対論的補正項を分離する。
• この補正項の大きさをさまざまな空間スケールで分析し、局所的スケールでは無視可能だが、銀河および団スケールでは顕著であることを示す。
• 予測された相対論的質量成分を、銀河および団における観測された暗黒物質分布と比較する。
• 特にCMBデータから導かれるΩ_dmとの整合性を評価する。
• 距離依存の暗黒物質効果や、銀河のスピン軸の整列といった、観測可能な結果を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般相対性理論の線形化形態が、自然に銀河および団の暗黒物質を説明できるほど十分な非発光性質量成分を生成できるか？
• RQ2 この相対論的補正は、太陽系スケールでは検出不能だが、銀河および団スケールでは顕著であるか？
• RQ3 このモデルは、見えない物質を仮定せずに、観測された銀河の回転曲線および矮星衛星の運動を再現できるか？
• RQ4 予測された暗黒物質成分は、団中心からの距離に応じてどのように変化するか？観測の傾向と一致するか？
• RQ5 このモデルは、標準的暗黒物質理論や修正重力理論とを区別する、独自の検証可能な予測を提示するか？

主な発見

• 一般相対性理論における相対論的補正は、太陽系スケールでは検出不能なほど小さいが、銀河および団スケールでは顕著な非発光性質量成分を生成する。
• この成分の大きさは、観測された暗黒物質の量と整合しており、特にCMB測定から導かれる宇宙論的パラメータΩ_dmと一致する。
• モデルは、団中心からの距離が増加するにつれて有効な暗黒物質が減少すると予測し、観測の傾向と一致する。
• 団中心に近い銀河は著しく多くの暗黒物質を有すると予測されるが、孤立した銀河は完全にそれを持たない可能性がある。
• モデルは、銀河団内での銀河スピン軸の整列や、矮星衛星の平面状軌道を予測しており、両方とも実際の観測データと一致する。
• このモデルは、反転したディスク構造を持つ珍しい銀河を説明でき、標準的暗黒物質モデルでは説明が難しい現象を説明できる。