[論文レビュー] Modified Newtonian Dynamics: A Review

Benoît Famaey, Stacy McGaugh|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ダークマターの代替としての修正ニュートン力学（MOND）をレビューし、低加速度領域でのニュートン力学の修正により、銀河内の質量不足を一元的な普遍的力則（ミルグロムの法則）で説明できると提唱している。主な貢献は、見えない物質を仮定せずに、広範な天体物理学的観測をうまく説明できるMONDの有効性を示したことである。

ABSTRACT

A wealth of astronomical data indicate the presence of mass discrepancies in the Universe. The motions observed in a variety of classes of extragalactic systems exceed what can be explained by the mass visible in stars and gas. Either (i) there is a vast amount of unseen mass in some novel form - dark matter - or (ii) the data indicate a breakdown of our understanding of dynamics on the relevant scales, or (iii) both. Here, we first review a few outstanding challenges for the dark matter interpretation of mass discrepancies in galaxies, purely based on observations and independently of any alternative theoretical framework. We then show that many of these puzzling observations are predicted by one single relation - Milgrom's law - involving an acceleration constant (or a characteristic surface density) of the order of the square-root of the cosmological constant in natural units. This relation can at present most easily be interpreted as the effect of a single universal force law resulting from a modification of Newtonian dynamics (MOND) on galactic scales. We exhaustively review the current observational successes and problems of this alternative paradigm at all astrophysical scales, and summarize the various theoretical attempts (TeVeS, GEA, BIMOND, and others) made to effectively embed this modification of Newtonian dynamics within a relativistic theory of gravity.

研究の動機と目的

• 理論的枠組みに依存せずに、銀河におけるダークマター仮説に対する観測的課題を検討すること。
• 普遍的加速度定数を含む一様な関係であるミルグロムの法則が、観測された質量不足を説明できるかどうかを評価すること。
• さまざまな天体物理学的スケールにおけるMONDの成功と限界を評価すること。
• TeVeS、GEA、BIMONDなどのように、MONDを相対論的重力理論に組み込む試みをレビューすること。

提案手法

• 可視物質をはるかに超える質量不足を示す銀河外系の天体データの分析。
• 低加速度領域でのニュートン力学の修正を伴うミルグロムの法則の適用。その特徴的な加速度スケールは、宇宙定数の平方根に比例する。
• さまざまな天体物理学的系（銀河や銀河団を含む）における観測データとMONDの予測を比較評価。
• TeVeS理論、一般化エインシュタイン・エーテル（GEA）、BIMONDなどのMONDの相対論的拡張をレビューし、宇宙論的および天体物理学的制約と整合するかを検討。
• 回転曲線、質量-速度関係、その他の動力学的特徴を説明するMONDの予測とダークマター仮説の予測を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルグロムの法則は、ダークマターを仮定せずに銀河内の観測された質量不足を説明できるか？
• RQ2 MONDは、さまざまな天体物理学的スケールにおける動力学的特徴をどれほどうまく予測できるか？
• RQ3 ダークマター仮説と比較して、MONDの観測的成功と限界は何か？
• RQ4 MONDの現象論を一貫的に組み込むことができる相対論的重力理論を構築できるか？
• RQ5 MONDは、銀河スケールにおける重力の理解にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 普遍的加速度定数を含むミルグロムの法則は、回転曲線や質量-速度関係を含む広範な銀河動力学をうまく予測できる。
• ミルグロムの法則における特徴的な加速度スケールは、自然単位系において宇宙定数の平方根に比例しており、宇宙論的深いつながりを示唆している。
• 見えないダークマターを必要とせず、MONDは銀河内の観測された質量不足を一貫して説明できる。これはダークマター仮説の代替として整合性のある選択肢を提供する。
• TeVeS、GEA、BIMONDなどの相対論的拡張は、MONDを相対論的理論に組み込むための枠組みを提供しているが、まだ完全に宇宙論的観測と調和させるには課題が残っている。
• MONDの予測は、矮星銀河、スパイラル銀河、銀河団を含むさまざまな天体物理学的系において観測と整合している。
• 成功は認められるが、MONDはまだ宇宙背景放射の非一様性といった、特定の大規模宇宙論的現象を完全に説明できていない。これらは標準的宇宙論モデルによりよりよく説明されている。