[論文レビュー] Gravitational Lensing in Modified Gravity and the Lensing of Merging Clusters without Dark Matter

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、1E0657-56のような衝突銀河団における重力レンズ効果が、ダークマターを仮定せずに修正重力（MOG）によって説明可能であると提唱している。ニュートン定数を修正し、可変範囲のベクトル場を導入することで、MOGは観測された弱レンズ効果データと一致するレンズ効果収束プロファイルを予測する。特に、X線ガスと質量再構築のピークとのずれが、ダークマターの代替として有効な団力学の説明を可能にする。

ABSTRACT

Gravitational lensing in a modified gravity (MOG) is derived and shown to describe lensing without postulating dark matter. The recent data for merging clusters identified with the interacting cluster 1E0657-56 is shown to be consistent with a weak lensing construction based on MOG without exotic dark matter.

研究の動機と目的

• 修正重力（MOG）がダークマターを仮定せずに、衝突銀河団における重力レンズ効果を説明できるかどうかを検証すること。
• MOGが、しばしばダークマターの直接的証拠とされる1E0657-56におけるX線ガスと質量ピークのずれを再現できるかどうかを評価すること。
• 弱レンズ効果の文脈において、MOGの予測を標準一般相対性理論およびMONDなどの他の代替重力モデルと比較すること。
• MOGの変動重力定数に整合するように、X線および銀河分布に基づく表面質量密度の現象論的モデルを提供すること。

提案手法

• 可変ニュートン定数G(r)を有する修正された重力ポテンシャルを用いて、MOGにおける相対論的レンズ効果の屈折を、光線の測地線を用いて導出する。
• 弱レンズ効果収束κ(R)を計算するために、屈折公式 α(R) = (4/c²) ∫[R,∞] dr (R/√(r²−R²)) dΦ/dr を適用する。
• 表面質量密度Σ(R)を、指数的減少するX線ガス成分と一定の銀河成分の和としてモデル化し、MOGの有効G(R)を G(R) = G_N [1 + α_clust(1−exp(−R/λ_clust))(1 + R/λ_clust)] で与える。
• κ(R) = (4πG_N D/c²) G(R) Σ(R) を用いて収束場を計算し、G(R)はMOGのベクトル場の結合強度と範囲を組み込む。
• MOGにおけるX線銀河団質量プロファイルの先行フィットに一致するように、パラメータ α_clust = 13 および λ_clust = 200 kpc をキャリブレーションする。
• MOGの予測κ(R)を、ダークマターを含まないアインシュタイン/ニュートンレンズ効果予測と、1E0657-56の観測レンズ効果データとを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは、ダークマターを仮定せずに、衝突銀河団1E0657-56における観測された弱レンズ効果のピークずれを再現できるか？
• RQ2 MOGに可変重力定数G(r)と質量を持つベクトル場を組み込むと、予測されるレンズ効果収束プロファイルにどのような影響を与えるか？
• RQ3 MOGの1E0657-56におけるレンズ効果予測は、X線ガスとレンズ効果ピークのずれを含め、観測された質量分布と一致するか？
• RQ4 MOGは、ダークマターを仮定せずに、銀河団レンズ効果を説明する観点で、MONDや他の相対論的代替モデルと比較してどの程度優れているか？
• RQ5 MOGは、非バリオン的ダークマターを必要とせず、単一の枠組みで銀河回転曲線と銀河団レンズ効果データを一貫して説明できるか？

主な発見

• MOGは、収束プロファイルκ(R)が団の外側領域にピークを持つことを予測し、1E0657-56における観測されたレンズ効果質量ピークとX線ガスピークのずれと一致する。
• α_clust = 13 および λ_clust = 200 kpc のMOGモデルは、特に顕著な外側ピークを示す観測された弱レンズ効果データと定性的に一致するκ(R)プロファイルを生成する。
• ダークマターを含まないアインシュタイン/ニュートンレンズ効果予測は、観測と矛盾する。X線ガスと一致する中心ピークを予測するが、観測ではそのようなピークは見られない。
• MOGの有効重力定数G(R)は、ベクトル場の範囲と結合強度のおかげで、影響パラメータRが増加するにつれて増加し、標準一般相対性理論と比較して大半の半径で強化されたレンズ効果をもたらす。
• モデルは、ダークマターを必要とせず、バリオン成分（X線ガスと銀河）のみを用いて、観測された表面質量密度分布をうまくフィットする。
• 結果から、1E0657-56におけるダークマターの必要性は、標準重力の仮定に基づく誤解である可能性が示され、MOGは一貫した代替説明を提供する。