[論文レビュー] Dynamics of galaxies and clusters in extit{refracted gravity}

T. Matsakos, Antonaldo Diaferio|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、銀河および銀河団の運動をダークマターを仮定せずに説明するための密度に依存する重力誘電率を導入する修正重力理論、屈折重力（RG）を提案する。ポアソン方程式を低密度領域で減少する誘電率を含む形に修正することで、拡張した系において重力場を強化し、回転曲線、バリオン星系のツーリー＝フィッシャー関係、および銀河団内のガス温度プロファイルをうまく再現する。

ABSTRACT

We investigate the proof of concept and the implications of extit{refracted gravity}, a novel modified gravity aimed to solve the discrepancy between the luminous and the dynamical mass of cosmic structures without resorting to dark matter. Inspired by the behavior of electric fields in matter, refracted gravity introduces a gravitational permittivity that depends on the local mass density and modifies the standard Poisson equation. The resulting gravitational field can become more intense than the Newtonian field and can mimic the presence of dark matter. We show that the refracted gravitational field correctly describes (1) the rotation curves and the Tully-Fisher relation of disk galaxies; and (2) the observed temperature profile of the X-ray gas of galaxy clusters. According to these promising results, we conclude that refracted gravity deserves further investigation.

研究の動機と目的

• ダークマターを導入せずに、銀河および銀河団における質量不足を説明できる重力誘電率に基づく修正重力理論が有効であるかどうかを調査すること。
• 誘電体媒質内の電気力学にインspiredされた屈折重力フレームワークを用いて、ディスク銀河および銀河団の運動をモデル化すること。
• RGが平坦な回転曲線、ツーリー＝フィッシャー関係、および銀河団内ガスの温度プロファイルといった主要な観測的特徴を再現できるかどうかをテストすること。
• 空間的に変化する誘電率に起因する場の線の屈折という物理的メカニズムに基づいて、RGがMONDやダークマターと根本的にどのように異なるかを強調すること。
• 観測された質量不足関係が複数スケールで一貫しているかどうかを評価することで、RGがダークマターの代替候補として妥当であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 修正されたポアソン方程式を定式化：∇⋅(ε(ρ)∇Φ) = 4πGρ ここで ε(ρ) は ε₀ ≤ ε(ρ) ≤ 1 を満たす密度に依存する重力誘電率である。
• ε(ρ) が質量密度とともに単調に増加すると仮定し、真空中では ε₀ = ε(0) < 1 となる。これにより、低密度領域で重力が強化される。
• 場の式を勾配項とラプラシアン項に分解することで、場の線の屈折と誘電率増幅の効果を分離する。
• 解析的および数値的解法を用いて軸対称ディスク銀河にモデルを適用し、回転曲線とバリオン星系のツーリー＝フィッシャー関係を予測する。
• 銀河団や銀河グループにこのフレームワークを拡張し、低密度領域での ε₀ の減少により大半の距離で力の法則が ∝ r⁻¹ に変わるとして、再スケーリングされたツーリー＝フィッシャー関係を導出する。
• 観測データ（回転曲線、X線ガス温度、バリオン星系のツーリー＝フィッシャー関係）と予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度に依存する重力誘電率は、ダークマターを仮定せずにディスク銀河の平坦な回転曲線を説明できるか？
• RQ2 屈折重力は、ディスク銀河および銀河団のような拡張系に対して観測されたバリオン星系のツーリー＝フィッシャー関係を再現できるか？
• RQ3 銀河団内の銀河団中性ガスの温度プロファイルは、ダークマターを仮定せずにRGによって説明できるか？
• RQ4 屈折重力モデルは、MOND やダークマターと比べて、物理的メカニズムおよび数学的定式化において根本的にどのように異なるか？
• RQ5 観測データにRGをフィットさせることで、臨界密度 ρc および真空中の誘電率 ε₀ にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• ε₀ < 1 であるため、低密度の外縁領域で重力場が強化されることにより、屈折重力はディスク銀河の平坦な回転曲線をうまく再現する。
• モデルは観測と一致する勾配を持つバリオン星系のツーリー＝フィッシャー関係を予測し、正規化は 1/ε₀ でスケーリングされ、銀河および銀河団のデータと一致する。
• 銀河団においては、低密度領域での誘電率の低下により強い重力ポテンシャルを予測するため、RGは観測された銀河団内ガスの温度プロファイルを説明できる。
• 銀河団および銀河群における観測されたバリオン星系のツーリー＝フィッシャー関係は、個々の銀河よりも正規化が小さいが、これは RG の予測である f/ε₀ ≈ 1.3 が幾何的および場の線の屈折効果を反映していることと一致する。
• このフレームワークは、同じバリオン質量でも形態（例：ディスク銀河対楕円銀河）が異なる系が異なる力学的性質を示す理由を、場の線の非等方的屈折に起因して自然に説明する。
• この枠組みは、銀河団内物質が ρc よりも低いまま保たれるという仮定に基づき、低密度領域におけるRG近似の有効性を保証するため、臨界密度 ρc に下限を示唆する。