[論文レビュー] Galaxy Cluster A1689 in Modified MOND, MOG and Emergent Gravity

Alistair O. Hodson, Hongsheng Zhao|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 9被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、銀河団A1689を対象に、EMOND、GMOND、MOG、および発生重力（Emergent Gravity）の修正重力理論をテストし、ダークマターを仮定せずにレンズ効果から導かれた質量プロファイルを再現できるかどうかを検証する。結果として、GMOND、EMOND、MOGはNFWに類似た加速度プロファイルを成功裏に再現したが、発生重力は失敗した。これは、修正重力モデルにおいてバリオン質量分布が果たす重要な役割を示している。

ABSTRACT

We model the cluster A1689 in two modified MOND frameworks (EMOND and what we call generalised MOND or GMOND) with the aim of determining whether it is possible to explain the inferred acceleration profile, from gravitational lensing, without the aid of dark matter. We also compare our result to predictions from MOG/STVG and Emergent Gravity. By using a baryonic mass model, we determine the total gravitational acceleration predicted by the modified gravitational equations and compare the result to NFW profiles of dark matter studies on A1689 from the literature. Theory parameters are inferred empirically, with the aid of previous work. We are able to reproduce the desired acceleration profile of A1689 for GMOND, EMOND and MOG, but not Emergent Gravity. There is much more work which needs to be conducted with regards to understanding how the GMOND parameters behave in different environments. Furthermore, we show that the exact baryonic profile becomes very important when undertaking modified gravity modelling rather than ΛCDM.

研究の動機と目的

• 修正重力理論がダークマターを仮定せずに銀河団A1689の重力レンズ効果による質量プロファイルを説明できるかどうかを評価すること。
• EMOND、GMOND、MOG、および発生重力が、A1689の観測されたNFWに類似た加速度プロファイルをどれだけ正確に再現できるかを評価すること。
• 修正重力モデルにおけるバリオン質量分布の正確な形が結果に与える感度を調査すること。
• A1689のデータを用いて、GMONDおよびEMONDにおける理論パラメータ（例：$A_0$、$f$）の経験的制約を探索すること。
• 文献に報告された標準的$Λ$CDMのNFWダークマター質量プロファイルと、これらの修正重力フレームワークの予測を比較すること。

提案手法

• 観測された星間物質およびガス分布を用いて、A1689のバリオン質量モデルを構築し、ニュートン的重力ポテンシャルを計算する。
• EMOND（$a_0$がポテンシャルの関数である）、GMOND（パラメータ$f$および$A_0$を2つ有する）、MOG、および発生重力の修正重力方程式を適用し、全重力加速度を計算する。
• 各理論が予測する加速度プロファイルを、A1689のレンズ効果研究から導かれたNFWダークマター質量プロファイルと比較する。
• 観測プロファイルに一致させるために、GMONDにおける$A_0$および$f$の最適値を経験的フィッティングにより特定し、自由パラメータとして扱う。
• バリオン質量プロファイルの変動に対する結果の感度を評価し、このような詳細が修正重力予測に顕著に影響することを強調する。
• 予測された加速度とレンズ効果から推定された質量プロファイルを比較することで、モデルがレンズ効果データと整合しているかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EMOND、GMOND、MOG、または発生重力は、ダークマターを仮定せずにA1689のレンズ効果から導かれた質量プロファイルを再現できるか？
• RQ2 GMONDにおけるパラメータ$A_0$および$f$は予測される加速度プロファイルにどのように影響を与え、A1689に対して経験的に制約を受けることができるか？
• RQ3 バリオン質量分布の正確な形が、$Λ$CDMと比較して修正重力モデルの結果にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 EMONDおよびGMONDの予測は、MOGおよび発生重力のそれらと比較して、A1689の重力レンズ効果を説明する上でどれほど優れているか？
• RQ5 GMONDにおける$A_0$および$f$の値を説明する力学的メカニズムは存在するのか、それとも現在のところ純粋に経験的パラメータにとどまるのか？

主な発見

• GMOND、EMOND、およびMOGは、ダークマターを必要とせずに、A1689の重力レンズ効果から導かれたNFWに類似た加速度プロファイルを成功裏に再現した。
• 発生重力は観測されたレンズ効果質量プロファイルを再現できず、テストされた仮定下ではA1689の力学的挙動を説明できないことが示された。
• GMONDにおける$A_0$は、$Λ$CDMにおける濃度パラメータと同様に、予測される加速度プロファイルの濃度を効果的に制御する調整可能なパラメータである。
• GMONDにおいて$A_0$を$50a_0$から$200a_0$に変更すると、予測プロファイルはNFWプロファイルと重複する範囲にシフトし、このパラメータに対する感度が明確に示された。
• バリオン質量分布の正確な形状と大きさは、修正重力モデルにおける予測される重力加速度に顕著な影響を与えるが、$Λ$CDMではそのような影響は顕著でない。
• 本研究では、今後の作業としてレンズ効果解析および三軸モデル化の必要性を明らかにした。現在のモデルは球対称性を仮定しているが、これはA1689の真の形状を反映していない可能性がある。