[論文レビュー] DHOST gravity in Ultra-diffuse galaxies -- Part I: the case of NGC1052-DF2

Enrico Laudato, Vincenzo Salzano|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 114被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ダークマターを想起しないでNGC1052-DF2の低速度分散を説明できるかどうかを検証する。10個の球状星団をトレーサーとして用い、DHOST重力理論を2つの状況—ダークエネルギーとしてのみ作用する場合、およびダークエネルギーとダークマターの両方を置き換える場合—でテストした。一般相対性理論が星の質量のみを考慮した場合に統計的に最も支持されるものの、DHOSTモデルは完全なダークマター置換シナリオにおいても同程度の性能を示し、このような銀河が修正重力理論を排除するものではないことを示唆している。

ABSTRACT

The Ultra-Diffuse galaxy NGC1052-DF2 has recently been under intense scrutiny because from its kinematics it has revealed to be "extremely deficient" in dark matter, if not lacking it at all. This claim has raised many questions and solutions regarding the relationship between baryons and dark matter in Ultra-Diffuse galaxies. But there seems to be a quite unanimous belief that, if such very low dark matter content is confirmed and extended to other similar galactic objects, it might be a deathblow to theories which modify and extend General Relativity. Deficient dark matter galaxies thus represent a fertile ground to test both standard dark matter and modified gravity theories. In this work, we consider a specific Degenerate Higher-Order Scalar Tensor model to study the velocity dispersion of ten compact globular clusters-like objects associated with NGC1052-DF2 to infer the dynamical mass of the galaxy. Due to the partial breaking of the corresponding screening mechanism, this model can possibly have large cosmological scale effects influencing the dynamics of smaller structures like galaxies. We consider two scenarios: one in which the model only describes dark energy; and one in which it additionally entirely substitutes dark matter. We find that the best model to explain data is the one in which we have General Relativity and only stellar contribution. But while in former scenario General Relativity is still statistically (Bayesian) favoured, in the latter one the alternative model is as much successful and effective as General Relativity in matching observations. Thus, we can conclude that even objects like NGC1052-DF2 are not in contrast, and are not obstacles, to the study and the definition of a reliable alternative to General Relativity.

研究の動機と目的

• DHOST重力—部分的なスクリーニングを有する修正重力理論—がダークマターを必要とせずにNGC1052-DF2の低動的質量を説明できるかどうかを評価すること。
• NGC1052-DF2の10個の球状星団の観測された速度分散が、DHOST重力理論がダークエネルギーの代替としてのみ作用する場合、およびダークエネルギーとダークマターの両方を完全に置き換える場合の2つの異なるシナリオで説明可能かどうかをテストすること。
• NGC1052-DF2に顕著なダークマターが欠如しているという事実が、拡張された重力理論に対して根本的な挑戦をもたらすかどうかを評価すること。
• 一般相対性理論とDHOSTモデルの両方が、この超拡散銀河の運動学的特性を説明するにあたり、ベイズ的モデル比較によってどちらがより支持されるかを特定すること。

提案手法

• NGC1052-DF2内の10個の球状星団に類似した対象からの星の速度分散データを、動的質量を推定するトレーサーとして用いる。
• Vainshteinスクリーニング機構の部分的破壊を許容する特定のDHOST重力モデルを適用し、宇宙スケールの修正が銀河スケールの力学に影響を与えることを可能にする。
• 2つの理論的シナリオを比較する：(1) DHOSTをダークエネルギーの代替としてのみ作用させる場合、標準的なダークマターを維持する場合；(2) DHOSTをダークエネルギーとダークマターの両方を完全に置き換える場合。
• ベイズ的モデル比較（ベイズ因子を用いて）により、一般相対性理論とDHOSTモデルの間で統計的優位性を評価する。
• 過去の研究におけるX線およびレンズ効果のデータ制約を用いて事前分布を設定し、モデルの一貫性を確保する。
• 球対称性におけるジェイムス方程式を用い、DHOST重力下での観測された速度分散と全質量プロファイルの関係を、重力ポテンシャルの修正を伴って関係づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DHOST重力理論は、ダークマターを必要とせずにNGC1052-DF2の低速度分散を説明できるか？
• RQ2 DHOSTモデルは、NGC1052-DF2の球状星団運動学的特性を一般相対性理論と同等に再現できるか？
• RQ3 NGC1052-DF2に顕著にダークマターが欠如しているという事実は、DHOSTのような修正重力理論と矛盾するか？
• RQ4 ダークマターがDHOSTスカラーフィールドによって完全に置き換えられる場合、DHOST重力理論と一般相対性理論の間で統計的優位性はどちらに傾くか？
• RQ5 DHOST重力理論におけるスクリーニング機構の部分的破壊が、低表面密度銀河における理論の妥当性にどのように影響するか？

主な発見

• 観測された速度分散データに対する最良の適合モデルは、星の質量寄与のみを考慮した一般相対性理論である。
• DHOST重力がダークエネルギーの代替としてのみ作用するシナリオでは、一般相対性理論が統計的に優位であるが、DHOSTモデルはやや強いベイズ的証拠を示す。
• DHOST重力がダークエネルギーとダークマターの両方を完全に置き換えるシナリオでは、DHOSTモデルは観測データを一般相対性理論と同等にうまく再現する。
• 完全置換シナリオにおいて、ベイズ的証拠は一般相対性理論をDHOSTモデルよりも明確に支持しない。これは、データが修正重力理論がダークマターの代替として成立することを一貫して支持していることを示唆する。
• 結果から、NGC1052-DF2の低ダークマター含有量がDHOST重力理論や類似の拡張重力理論を排除するものではないことが示唆される。
• DHOST重力理論におけるスクリーニング機構の部分的破壊により、宇宙スケールの修正が銀河スケールの力学に影響を及ぼすことができ、これはダークマターを想起しない低DM銀河を説明する有効な候補である。