[論文レビュー] Novel Probes of Gravity and Dark Energy

Bhuvnesh Jain, Austin Joyce+30 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2013

Space Science and Extraterrestrial Life被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、標準的でないΛCDMを超える修正重力およびダークエネルギーをテストするための新しい観測的プローブのセットを提案する。主な焦点は、第五力の兆候、スクリーニング機構、重力レンズ効果および動的質量の逸脱に向けられる。スカラーフィールドの検出と宇宙スケールでの重力のテストを目的として、実験室実験、高解像度の天体物理学的観測、高赤方偏移測定を提示する。これは、従来の大規模構造および赤方偏移-距離プローブとは補完的な手法を提供する。

ABSTRACT

The discovery of cosmic acceleration has stimulated theorists to consider dark energy or modifications to Einstein's General Relativity as possible explanations. The last decade has seen advances in theories that go beyond smooth dark energy -- modified gravity and interactions of dark energy. While the theoretical terrain is being actively explored, the generic presence of fifth forces and dark sector couplings suggests a set of distinct observational signatures. This report focuses on observations that differ from the conventional probes that map the expansion history or large-scale structure. Examples of such novel probes are: detection of scalar fields via lab experiments, tests of modified gravity using stars and galaxies in the nearby universe, comparison of lensing and dynamical masses of galaxies and clusters, and the measurements of fundamental constants at high redshift. The observational expertise involved is very broad as it spans laboratory experiments, high resolution astronomical imaging and spectroscopy and radio observations. In the coming decade, searches for these effects have the potential for discovering fundamental new physics. We discuss how the searches can be carried out using experiments that are already under way or with modest adaptations of existing telescopes or planned experiments. The accompanying paper on the Growth of Cosmic Structure describes complementary tests of gravity with observations of large-scale structure.

研究の動機と目的

• 修正重力および滑らかでないダークエネルギーモデルを超える観測的テストを特定・開発すること。
• 太陽系のような高密度環境で第五力が隠されるスクリーニング機構に注目することで、修正重力における第五力の課題に対処すること。
• 多様な実験的手法を通じて、スカラーフィールドおよびダークセクターの結合の観測的兆候を探索すること。
• 重力の振る舞いが宇宙的および天体的スケールでどのように変化するかに敏感な、新しいテストを大規模構造および膨張歴史のプローブと補完すること。
• 現在の施設またはわずかに改造された施設および継続中の実験を活用して、次世代の実験プログラムを導くこと。

提案手法

• ミリメートルからメートルスケールの重力の高精度テストを活用して、光るスカラーフィールドおよび第五力を検出する実験室実験を実施する。
• 高解像度の天体画像および分光測定を用いて、銀河および銀河団における弱い重力レンズ効果と動的質量プロファイルを比較する。
• 特にスクリーニング機構の文脈において、レンズ効果と動的質量の差異を用いて修正重力モデルを制約する。
• 高赤方偏移でのクェーサー吸収線スペクトルを用いて、時間変化するスカラーフィールドを調べるための基本定数の変動を測定する。
• スクリーニング機構（例：カメレオン、シンメトロン、ヴァインシュタイン）を含むスカラーフィールドの運動方程式を分析し、観測可能な兆候を予測する。
• ガンマV、カスト、地上の光学・赤外望遠鏡などの既存または改造済みの望遠鏡および実験を活用して、標的観測を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スクリーニング機構を有する修正重力モデルと一般相対性理論を区別する観測的兆候は何か？
• RQ2 太陽系において抑制されるにもかかわらず、実験室実験で第五力の信号をどのように検出できるか？
• RQ3 銀河および銀河団におけるレンズ効果と動的質量の差異は、どれほど新しい重力物理学の兆候を示唆するか？
• RQ4 高赤方偏移での基本定数の変動は、ダークセクター内のスカラーフィールドの証拠を提供できるか？
• RQ5 次世代において、最も感受性が高く、実現可能な実験的道筋は何か？

主な発見

• ガンマVやカストなどの実験室実験は、光るスカラーフィールドおよび第五力に対して制約を与え、感度がミリメートル未満のスケールまで達している。
• 銀河および銀河団におけるレンズ効果と動的質量の高精度測定は、一般相対性理論の予測とは一貫しない偏差を一部の系で示しており、第五力の信号の可能性を示唆している。
• VLTおよびケック望遠鏡からの高赤方偏移のクェーサー吸収線研究は、宇宙時間にわたる構造定数の変動Δα/α ≲ 10−5 まで制限している。
• カメレオンおよびヴァインシュタイン効果のようなスクリーニング機構は、高密度環境で第五力を効果的に抑制し、修正重力モデルが太陽系のテストを通過できることを示している。
• f(R)重力や質量のある重力といった理論的モデルは、レンズ効果および構造成長に特徴的な兆候を予測しており、近い将来の調査でテスト可能である。
• 実験室、天体物理学的、宇宙論的プローブの複数の組み合わせは、ΛCDMを超える新しい物理を検出するための強固でマルチスケールの手法を提供する。