[論文レビュー] MOND-like behavior in the Dirac-Milne universe -- Flat rotation curves and mass/velocity relations in galaxies and clusters

G. Chardin, Yohan Dubois+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 77被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、物質と反物質の間に重力的反発力が存在する物質-反物質対称な宇宙論、いわゆるディラック＝ミルン宇宙が、ダークマターを必要とせずにMONDに類似した振る舞いを自然に再現できることを提案している。解析的モデルと修正されたRAMSESコードを用いた1次元および3次元のシミュレーションにより、回転曲線が約2.5倍のバリアル半径以降に平坦化しており、ニュートン力学に基づく質量推定値が系atically過大評価されていることが示された。また、z=0における追加の重力場は約10⁻¹¹ m/s²であり、MONDの加速度スケールa₀と一致している。

ABSTRACT

We show that in the Dirac-Milne universe (a matter-antimatter symmetric universe where the two components repel each other), rotation curves are generically flat beyond the characteristic distance of about 3 virial radii, and that a Tully-Fisher relation with exponent $\approx 3$ is satisfied. Using 3D simulations with a modified version of the RAMSES code, we show that the Dirac-Milne cosmology presents a Faber-Jackson relation with a very small scatter and an exponent equal to $\approx 3$ between the mass and the velocity dispersion. We also show that the mass derived from the rotation curves assuming Newtonian gravity is systematically overestimated compared to the mass really present. We also show that the Dirac-Milne universe, featuring a polarization between its matter and antimatter components, presents a behavior similar to that of MOND (Modified Newtonian Dynamics), characterized by an additional surface gravity compared to the Newtonian case. We show that in the Dirac-Milne universe, at the present epoch, the intensity of the additional gravitational field $g_{am}$ due to the presence of clouds of antimatter is of the order of a few $10^{-11}$ m/s$^2$, similar to the characteristic acceleration of MOND. We study the evolution of this additional acceleration $g_{am}$ and show that it depends on the redshift, and is therefore not a fundamental constant. Combined with its known concordance properties on SNIa luminosity distance, age, nucleosynthesis and structure formation, the Dirac-Milne cosmology may then represent an interesting alternative to the $\Lambda$CDM, MOND, and other scenarios for explaining the Dark Matter and Dark Energy conundrum.

研究の動機と目的

• 物質-反物質反発力を持つディラック＝ミルン宇宙論が、銀河や銀河団における観測された平坦な回転曲線を再現できるかどうかを調査すること。
• このモデルが、ダークマターを仮定せず、根本的な定数加速度を導入することなく、自然にMONDに類似した力学的振る舞いを生み出すかどうかを検証すること。
• ディラック＝ミルン宇宙における追加の重力場の起源と赤方偏移依存性を検討すること。
• Tully-Fisher関係やファーバー＝ジャクソン関係といった観測されたスケーリング関係との整合性を評価すること。
• 核合成、構造形成、およびハッブルパラメータの矛盾といった観点から、このモデルの妥当性を検討すること。

提案手法

• 物質-反物質対称な宇宙における重力的ダイナミクスをモデル化するため、修正されたRAMSES宇宙論的シミュレーションコードを用いた。
• 孤立系における回転曲線とバリアル速度を調査するために、1次元および3次元のシミュレーションを実施した。
• 反物質クラウドがもたらす重力場とその赤方偏移依存性を導出するために、解析的近似を用いた。
• スケール因子a(t)の関数として追加の重力場強度gamの時間発展を追跡し、その赤方偏移依存性を示した。
• AdaptaHOPアルゴリズムを用いてホールカタログを計算し、重力的に束縛された構造を同定した。
• シミュレートされた質量-速度関係を観測されたTully-Fisher関係およびFaber-Jackson関係と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディラック＝ミルン宇宙は、ダークマターを仮定せず、平坦な回転曲線を再現できるか？
• RQ2 ディラック＝ミルンモデルにおける反物質クラウドの重力場が、z=0においてMONDに類似した加速度スケールを生み出すか？
• RQ3 ディラック＝ミルンモデルにおける追加の重力場は定数か、赤方偏移に依存するパラメータか？
• RQ4 シミュレートされたTully-Fisher関係およびFaber-Jackson関係は観測結果とどの程度一致するか？
• RQ5 このモデルの構造形成は、核合成および大規模均一性の制約とどの程度整合するか？

主な発見

• ディラック＝ミルン宇宙における回転曲線は、一般的に約2.5バリアル半径以降に平坦化しており、観測結果と整合的である。
• ニュートン力学を仮定した回転曲線からの質量推定値は、真の質量と比較して系統的に過大評価されており、MONDに類似した動力学的不一致を示している。
• 反物質クラウドに起因する追加の重力場の現在の強度は約10⁻¹¹ m/s²であり、MONDの加速度スケールa₀と一致している。
• この追加場の大きさgamは赤方偏移に依存しており、標準MONDとは異なり、根本的な定数ではない。
• Tully-Fisher関係およびFaber-Jackson関係は、べき乗則の指数が約3で概ね満たされているが、観測値の約3.85よりわずかに小さい。
• このモデルの構造形成は、核合成および観測された均一スケールと整合的であるが、初期領域サイズの制限のため、大規模なシミュレーションは依然として課題である。