[論文レビュー] Modified Gravity and the Phantom of Dark Matter

Joel R. Brownstein|ArXiv.org|Aug 2, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 29被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、非バリオン的ダークマターを必要としない自己完備的でスケール不変な重力理論として、修正重力（MOG）を提案し、低表面輝度銀河や矮星系を含む多様な系において、銀河の回転曲線を正確に再現できることを示している。MONDとは異なり、MOGは非バリオン的ダークマターを必要とせずに、クラスタの質量プロファイルをうまくモデル化できる。一方、コア修正型コールドダークマター（CDM）モデルも優れた適合を示しており、バリオン物理学がダークマターホールの構造に重要な役割を果たしている可能性を示唆している。

ABSTRACT

Astrophysical data analysis of the weak-field predictions support the claim that modified gravity (MOG) theories provide a self-consistent, scale-invariant, universal description of galaxy rotation curves, without the need of non-baryonic dark matter. Comparison to the predictions of Milgrom's modified dynamics (MOND) provide a best-fit and experimentally determined universal value of the MOND acceleration parameter. The predictions of the modified gravity theories are compared to the predictions of cold non-baryonic dark matter (CDM), including a constant density core-modified fitting formula, which produces excellent fits to galaxy rotation curves including the low surface brightness and dwarf galaxies. Upon analysing the mass profiles of clusters of galaxies inferred from X-ray luminosity measurements, from the smallest nearby clusters to the largest of the clusters of galaxies, it is shown that while MOG provides consistent fits, MOND does not fit the observed shape of cluster mass profiles for any value of the MOND acceleration parameter. Comparison to the predictions of CDM confirm that whereas the Navarro-Frenk-White (NFW) fitting formula does not fit the observed shape of galaxy cluster mass profiles, the core-modified dark matter fitting formula provides excellent best-fits, supporting the hypothesis that baryons are dynamically important in the distribution of dark matter halos.

研究の動機と目的

• 修正重力（MOG）が非バリオン的ダークマターを仮定せずに、銀河の回転曲線を一貫して説明できるかどうかを検証すること。
• MOGの予測を、MONDおよびコールドダークマター（CDM）と比較し、特にクラスタの質量プロファイルに関する予測を検証すること。
• コア修正型CDMの適合式をテストすることで、バリオン物理学が銀河クラスタ内のダークマター分布に与える影響を評価すること。
• 観測されたクラスタ質量プロファイルの形状が、MOG、MOND、CDMモデルと整合しているかどうかを検証すること。

提案手法

• MOGの弱場予測の分析により、さまざまな銀河タイプにわたる銀河の回転曲線への適合能力を評価すること。
• 観測データから導かれた最良適合の普遍的MOND加速度定数を用いて、MilgromのMONDとMOGの予測を比較すること。
• X線から推定された銀河クラスタの質量プロファイルに対して、Navarro-Frenk-White（NFW）およびコア修正型ダークマター適合式の評価を行うこと。
• X線輝度測定値を用いて、最小の近隣クラスタから最大のクラスタに至るまで、質量プロファイルを推定し、スケールにわたるモデルの一貫性をテストすること。
• スケール不変で普遍的な適合関数を適用し、多様な天体物理学的系にわたるモデルの頑健性を評価すること。
• 観測された回転曲線およびクラスタ質量プロファイルへのモデル適合の統計的比較により、最良適合性能を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは非バリオン的ダークマターを仮定せずに、銀河の回転曲線を一貫的かつ普遍的に適合させることができるか？
• RQ2 MONDは、さまざまな質量スケールの銀河クラスタの質量プロファイルを正確に記述できるか？
• RQ3 コア修正型コールドダークマター（CDM）モデルは、観測された銀河クラスタ質量プロファイルの形状をどの程度よく適合できるか？
• RQ4 バリオン過程が銀河クラスタ内のダークマターハローの構造に動的に影響を与えている証拠はあるか？

主な発見

• MOGは、低表面輝度銀河や矮星系を含む、観測されたすべての銀河タイプの回転曲線に対して、非バリオン的ダークマターを仮定せずに一貫的かつ優れた適合を示している。
• MONDは、MOND加速度定数のいかなる値に対しても、観測されたクラスタ質量プロファイルの形状を再現できない。これは根本的な限界を示している。
• コア修正型ダークマター適合式は、観測されたクラスタ質量プロファイルに対して優れた最良適合を示しており、バリオンがダークマターハローの構造に影響を与えているという仮説を支持している。
• Navarro-Frenk-White（NFW）適合式は、観測されたクラスタ質量プロファイルの形状と一致せず、観測と不一致であることを示している。
• 最良適合のMOND加速度定数は、実験的に決定され、研究された銀河のサンプル全体にわたって普遍的である。
• MOGの予測は、銀河スケールおよびクラスタスケールでスケール不変かつ自己完備的であり、統一的な重力理論を示唆している。