[論文レビュー] Dark matter is a manifestation of the vacuum Bose-Einstein condensate

Valeriy I. Sbitnev|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、超流動的量子真空中に形成される真空ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）から、安定で整合的なガウス型渇き渦雲が生じ、それがダークマターを形成すると提案する。修正されたナビエ＝ストークス方程式に量子ポテンシャル項を組み込み、銀河物質と超低周波数でのゼロ点真空揺らぎとの間のエネルギー交換をモデル化することで、非バリオン性のダークマター粒子を仮定せず、観測された一定の公転速度を説明する平坦な回転曲線が得られる。

ABSTRACT

The vorticity equation stemming from the modified Navier-Stokes equation gives a solution for a flat profile of the orbital speed of spiral galaxies. Solutions disclose existence of the Gaussian vortex clouds, the coherent vortices with infinite life-time, what can be a manifestation of the dark matter. The solutions also disclose what we might call a breathing of the galaxies - due to an exchange of the vortex energy with zero-point fluctuations in the vacuum. .

研究の動機と目的

• 非バリオン性のダークマター粒子を仮定せず、渦巻銀河の平坦な回転曲線を説明すること。
• ニュートン力学による予測と観測された銀河の公転速度の乖離を解消すること。
• ダークマターが別個の粒子ではなく、量子真空中の構造のマクロな顕現であると提案すること。
• 真空を、量子ポテンシャルを含む修正されたナビエ＝ストークス方程式に従う超流動的媒体としてモデル化すること。
• この媒体内での整合的渦が無期限に持続可能であり、観測された銀河力学を再現できることを示すこと。

提案手法

• ド・ブロイ＝ボーム流体力学的定式化に由来する量子ポテンシャル項を組み込んだ修正ナビエ＝ストークス方程式を採用する。
• 真空中の圧力と内部力のモデル化に、量子ポテンシャル $ Q = -\frac{\hbar^2}{4m}\frac{\nabla^2\rho}{\rho} + \frac{\hbar^2}{8m}\frac{(\nabla\rho)^2}{\rho^2} $ を導入する。
• 修正ナビエ＝ストークス方程式から導かれる渦度方程式を用いて、平坦な公転速度プロファイルを持つ解を得る。
• 有効質量と拡散係数 $ D = \hbar/2m $ を持つ仮想粒子・反粒子対のボーズ＝アインシュタイン凝縮として真空をモデル化する。
• 銀河物質と真空中のゼロ点揺らぎとの間のエネルギー交換の時間スケールとして、超低周波数モード $ \Omega_n $（$ 10^{-18} $ から $ 10^{-15} $ Hz）を特定する。
• 観測された平坦な回転曲線が、時間平均でゼロの粘性係数でありながら非ゼロの分散を持つことと関連し、量子真空中の揺らぎによって駆動されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 渦巻銀河の平坦な回転曲線は、非バリオン性のダークマターを仮定せずに説明可能か？
• RQ2 量子真空中に、長期間にわたって持続する整合的渦が形成され、ダークマターに似た性質を示す物理的メカニズムは何か？
• RQ3 銀河物質と真空中のエネルギー交換が、安定で一定の公転速度を生じる仕組みは何か？
• RQ4 量子ポテンシャルが真空中に有効な重力的力の生成に果たす役割は何か？
• RQ5 観測された大規模構造および銀河の力学的挙動は、超低周波数での真空中の揺らぎから生じるか？

主な発見

• 量子ポテンシャルを含む修正ナビエ＝ストークス方程式は、渦巻銀河の観測と一致する平坦な公転速度プロファイルを持つ解を導く。
• モデルは、超流動的真空中に存在する整合的で長期間にわたる渦雲（ガウス型渇き渦）の存在を予測し、これらがダークマターの類似体として機能すると示す。
• 公転速度には、超低周波数 $ \Omega_n \approx 10^{-18} $ から $ 10^{-15} $ Hz での真空中ゼロ点揺らぎとのエネルギー交換に起因する微小な時間的変動（銀河の「呼吸」）が生じる。
• 最も長い波長モード $ \lambda_c \approx 1.36 \times 10^{26} $ m は、ハッブル半径 ($ r_{HS} \approx 14 $ 億光年）に非常に近く、宇宙規模の回転で平坦なプロファイルを示す可能性を示唆する。
• 基本周波数 $ \Omega_c \approx 2.2 \times 10^{-18} $ Hz から導かれる有効なグレヴィトン質量 $ m_g \approx 2.6 \times 10^{-69} $ kg は、ホログラフィックおよび宇宙論的モデルと整合的である。
• 粘性係数 $ \nu(t) $ は超低周波数で符号を反転させ、真空中から物質へのエネルギー移動（膨張）または逆に物質から真空中へのエネルギー移動（収縮）を可能にし、特異点のない循環的宇宙モデルを支持する。