[論文レビュー] Detailed Solar System dynamics as a probe of the Dark Matter hypothesis

X. Hernández|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、太陽が仮説上の暗黒物質ハローと重力的相互作用をすると、追尾する動的減衰の尾が生じ、太陽系の軌道に測定可能な摂動を引き起こすと主張している。しかし、精密な電波レンジ測定データはそのようなずれを示さず、尾の存在を否定し、銀河の運動を説明するための暗黒物質仮説を強く疑わせる。

ABSTRACT

Within the dark matter paradigm, explaining observed orbital dynamics at galactic level through the inclusion of a dominant dark halo, implies also the necessary appearance of dynamical friction effects. Satellite galaxies, globular clusters and even stars orbiting within these galactic halos, will perturb the equilibrium orbits of dark matter particles encountered, to produce a resulting trailing wake of slightly enhanced dark matter density associated with any perturber in the halo. The principal effect of this gravitational interaction between an orbiting body and the dark matter particles composing it, is the appearance of a frictional drag force slowly removing energy and angular momentum from the perturber. Whilst this effect might be relevant to help bring about the actual merger of the components of interacting forming galaxies, at smaller stellar scales, it becomes negligible. However, the trailing wake will still be present. In this letter I show that the corresponding dark matter wake associated to the Sun, will constitute a small but resonant perturbation on solar system dynamics which can be ruled out, as current laser and radio ranging measurements are now over an order of magnitude more precise than the amplitude of the orbital perturbations which said wake implies. The absence of any such detection implies the nonexistence of the dynamical friction trailing wake on the sun, which in turn strongly disfavours dark matter as an explanation for the observed gravitational anomalies at galactic scales.

研究の動機と目的

• 太陽系の軌道に及ぼす暗黒物質仮説の力学的影響を検証すること。
• 暗黒物質との相互作用によって太陽の後方を追う動的減衰の尾が、検出可能な軌道摂動を引き起こすかどうかを調査すること。
• 高精度な電波レンジ測定データを用いて、そのような尾の存在を制限し、暗黒物質理論の整合性を検証すること。
• 予想される摂動の非検出に基づいて、局所的な暗黒物質密度の上限を導出すること。
• 動的減衰を予測する暗黒物質モデルと比較して、拡張重力モデルが太陽系の観測とどの程度整合性を持つのかを評価すること。

提案手法

• 太陽が暗黒物質ハローを通過する際、動的減衰によって後方を追う尾を生成するものとし、その摂動をモデル化する。
• 重力ポテンシャル勾配から導かれる準共鳴応答モデルを用いて、尾によって引き起こされる径方向加速度摂動を計算する。
• 軌道力学の式を用いて、その摂動振幅を火星および土星の軌道に適用する。
• 最新のINPOP17a天測表（火星では約3.6 m、土星では約31.6 mの精度）の残差と予測摂動を比較する。
• 統計的有意性を用いて、暗黒物質の尾が存在する場合にその摂動を観測する確率を評価する。
• 観測の信頼区間内に予測摂動が収まるように制約を課すことにより、局所的な暗黒物質密度の上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 暗黒物質との相互作用によって太陽の後方を追う動的減衰の尾が、太陽系内で測定可能な軌道摂動を引き起こすだろうか？
• RQ2 そのような摂動の予測振幅は、電波レンジ測定データからの現在の観測残差とどの程度一致するか？
• RQ3 そのような摂動の非検出から、どのような局所的暗黒物質密度の上限が導かれるか？
• RQ4 非検出の統計的有意性は、暗黒物質理論が太陽系の運動とどの程度整合的であるかをどのように挑戦するか？
• RQ5 動的減衰の尾を予測する暗黒物質モデルと比較して、拡張重力モデルはどの程度妥当性を保っているか？

主な発見

• 太陽の暗黒物質ハローによる予想される径方向摂動振幅は、火星では11.26メートル、土星では252メートルである。
• これらの予測摂動は、観測残差（火星では3.6メートル、土星では31.6メートル）をそれぞれ3.13倍および7.85倍上回っている。
• 暗黒物質の尾が存在する場合にその摂動を観測する確率は、火星では0.17%、土星では5.7×10⁻¹⁵にとどまる。
• 非検出の結果、火星では標準的価値0.01 M☉ pc⁻³の3.13倍未満、土星では6.8倍未満の局所的暗黒物質密度の上限が得られた。
• 結果は、銀河の回転曲線からきわめて厳密に制約された標準的な暗黒物質ハロー密度0.01 M☉ pc⁻³と整合しない。
• 分析の結果、動的減衰の尾を生成する暗黒物質モデルと比較して、拡張重力モデルの方が太陽系の観測とより整合的であると考えられる。