[論文レビュー] Gravitational effects of the faraway matter on the rotation curves of spiral galaxies

A. Carati|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2011

Scientific Research and Discoveries参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、遅延ポテンシャルと空間相関を考慮した遠方の物質の重力的影響が、ダークマターを仮定せずに渦巻き銀河の平坦な回転曲線を説明できることを提案する。宇宙の大規模構造からの長距離にわたる相関のない重力的力のモデル化により、著者は4つの銀河（NGC 3198、NGC 2403、UGC 2885、NGC 4725）の観測された回転曲線を、合理的な光度-質量比でフィットさせ、遠方の物質から生じる大きさが約0.2cH₀の力が銀河スケールで支配的になると示している。

ABSTRACT

It was recently shown that in cosmology the gravitational action of faraway matter has quite relevant effects, if retardation of the forces and discreteness of matter (with its spatial correlation) are taken into account. Indeed, far matter was found to exert, on a test particle, a force per unit mass of the order of 0.2 cH0 . It is shown here that such a force can account for the observed rotational velocity curves in spiral galaxies, if the force is assumed to be decorrelated beyond a sufficiently large distance, of the order of 1 kpc. In particular we fit the rotation curves of the galaxies NGC 3198, NGC 2403, UGC 2885 and NGC 4725 without any need of introducing dark matter at all. Two cases of galaxies presenting faster than keplerian decay are also considered.

研究の動機と目的

• 遅延と空間相関を考慮した遠方の物質の重力的作用が、観測された渦巻き銀河の平坦な回転曲線を説明できるかどうかを調査すること。
• 特に非一様でフラクタル的な分布を示す遠方の銀河が銀河力学において無視可能でないという標準的仮定に挑戦すること。
• 遠方の物質からの長距離にわたる相関のない重力的力が、ダークマターを必要とせずに観測された回転曲線を再現できることを示すこと。
• 標準的一般相対性理論と観測された宇宙論的パラメータのみを用いて、銀河内の異常な速度プロファイルを説明する現象論的モデルを提供すること。

提案手法

• 時間に依存しないハッブル定数 H₀ を仮定し、宇宙を点的な銀河の集合体としてモデル化し、それらの速度がハッブルの法則に従うものとする。
• 一般相対性理論の線形化された場の式を用い、遠方の銀河の運動から導かれる摂動的エネルギー運動量テンソルを扱い、計量をミンコフスキー空間の小さな摂動とみなす。
• ウィエナー＝キンチンの定理を適用し、重力場の空間相関をその微分の相関に関連づけ、指数関数的減衰長尺度 l を仮定する。
• 遠方の物質からの重力場が約1 kpcを超えて相関がなくなるように仮定し、長距離にわたる合力が生じることを可能にする。
• 遠方銀河の空間的分布の統計的平均から得られる有効な単位質量あたりの重力的力として 0.2cH₀ を計算する。
• 得られた力則を観測された4つの渦巻き銀河の回転曲線にフィットさせ、ダークマターを必要としないように光度-質量比を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遅延と空間相関を考慮した遠方の物質の重力的影響が、ダークマターを仮定せずに渦巻き銀河の平坦な回転曲線を説明できるか？
• RQ2 遠方の物質が銀河内のテスト粒子に及ぼす網羅的重力的力の大きさと空間スケールは何か？
• RQ3 約1 kpcを超えて相関がなくなるという仮定が、有効な重力的ポテンシャルと回転曲線の形状にどのように影響するか？
• RQ4 このモデルが、標準的重力理論と観測された宇宙論的パラメータのみを用いて、多様な質量とサイズの銀河の回転曲線を再現できるか？
• RQ5 なぜこの効果は太陽系では無視可能だが、銀河や銀河団では支配的になるのか？

主な発見

• 遠方の物質からの重力的力は、遅延と空間相関の効果によって生じる、テスト粒子に対して約0.2cH₀の網羅的加速度を単位質量あたりに及ぼす。
• この力は銀河スケール（約kpc）で顕著になり、局所的な重力的力を上回り、平坦な回転曲線を説明する。
• このモデルは、ダークマターを必要とせずに、4つの渦巻き銀河（NGC 3198、NGC 2403、UGC 2885、NGC 4725）の回転曲線をうまくフィットしている。
• フィットから得られた光度-質量比は物理的に妥当であり、観測された星の質量と整合的である。
• このモデルは、ケプラーモデルを上回る速度の減衰を示す銀河を説明できており、長距離にわたる力がニュートン的期待とは逸脱する現象を説明できることを示唆している。
• 約1 kpcの相関長尺度は極めて重要である：このスケール未満では力が抑制され、それ以上では力が整合的になり支配的になる。