[論文レビュー] On a probable manifestation of Hubble expansion at the local scales, as inferred from LLR data

Yu. V. Dumin|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2002

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 9

ひとこと要約

論文は、月のレーザーレトロコリレーター（LLR）による観測で観察された1.3 cm/yrの異常な増加が、潮汐効果に加えて局所的ハッブル膨張に起因する可能性を提案している。局所的ハッブル定数 $ H_0^{\text{(loc)}} = 33 \pm 5 $ (km/s)/Mpc が導かれた。これは、非凝縮したダークマターやダークエネルギーが局所的膨張を駆動しているが、バリオン物質はコンパクトな物体へと崩壊していることを示唆している。

ABSTRACT

Processing the data of lunar laser ranging (LLR), whose accuracy now reaches a few millimeters, points to the effect of anomalous increase in the lunar semimajor axis (with an excessive rate 1.3 cm/yr), which cannot be attributed to the well-known tidal exchange of angular momentum between the Earth and Moon. One of the possible interpretations of the above-mentioned anomaly may be the "local" Hubble expansion with H = 33 +/- 5 (km/s)/Mpc. This small value of the local Hubble constant (about two times less than at intergalactic scales) can be reasonably explained if it is formed only by some kind of an unclumped "dark matter" or "dark energy", while the other kinds of matter experienced a gravitational instability, formed compact objects, and no longer contribute to the formation of Hubble expansion at the local scales.

研究の動機と目的

• LLRデータを用いて、観測された月軌道拡大率と予測値の乖離を解消すること。
• 地球–月距離の異常な増加が、潮汐的または地球物理学的要因ではなく、局所的ハッブル膨張に起因する可能性を調査すること。
• 宇宙論的意味において、国際的値と比較して低減した局所的ハッブル定数の意義を評価すること。
• LLRが局所的宇宙論的膨張を探査するツールとしての可能性を検討すること。

提案手法

• ミリメートルレベルの精度で高精度なLLRデータを処理し、月の長半径の変化率を抽出すること。
• 観測された増加率（$ \dot{R}^{\text{(LLR)}} = 3.82 $ cm/yr）と潮汐予測値（$ \dot{R}^{\text{(tid)}} = 2.53 $ cm/yr）を比較して、異常を特定すること。
• ハッブル則の関係式 $ \Delta\dot{R} = H_0^{\text{(loc)}} R $ を適用し、異常な増加率から局所的ハッブル定数を推定すること。
• 角運動量保存則と軌道力学を用いて潮汐寄与をモデル化し、潮汐率予測の妥当性を検証すること。
• バリオン物質がコンパクトな構造へと凝縮する一方で、非凝縮したダークマターやダークエネルギーが局所的ハッブル膨張を維持する役割を評価すること。
• 1–2 Mpcでの静止したハッブルフローの最近の観測と、局所的ハッブル値の整合性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 月の長半径の異常な1.3 cm/yrの増加は、潮汐的または地球物理学的要因ではなく、局所的ハッブル膨張によって説明可能か？
• RQ2 LLRデータから推定された局所的ハッブル定数が、標準的な国際的値と顕著に低いのはなぜか？
• RQ3 非凝縮したダークマターやダークエネルギーは、小スケールでの局所的ハッブル膨張をどのように維持しているか？
• RQ4 LLR技術を用いて局所的宇宙論的膨張率を測定または制約できるか？
• RQ5 バリオン物質がコンパクトな物体へと形成されることで、異なる物質種の局所的ハッブルフローへの寄与にどのような影響が生じるか？

主な発見

• LLRデータと望遠鏡観測の比較から、潮汐予測を上回る1.29 cm/yrの月の長半径の異常な増加が測定された。
• ハッブル則を異常増加率に適用することで、局所的ハッブル定数 $ H_0^{\text{(loc)}} = 33 \pm 5 $ (km/s)/Mpc が推定された。
• この値は、標準的な国際的ハッブル定数のおよそ半分であり、特異な局所的宇宙論的メカニズムを示唆している。
• この乖離は、非凝縮したダークマターやダークエネルギーのみが局所的膨張に寄与している一方で、バリオン物質がコンパクトな物体へと崩壊しているため生じる可能性がある。
• この結果は、1–2 Mpcで観測された静止したハッブルフローと整合しており、非凝縮したダークマターの存在を示唆している可能性がある。
• LLRは、局所的宇宙論的膨張を探査する新しいツールとして機能し得る。$ H_0^{\text{(loc)}} $ の測定や上限設定の手段を提供する。