[論文レビュー] Spectrum of Cosmic Microwave Fluctuations and the Formation of Galaxies in a Modified Gravity Theory

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、宇宙背景放射（CMB）の揺らぎと銀河形成を説明するために、冷たい暗黒物質の代わりに光で、中性のベクトルボソン「フィオン」のボース＝アインシュタイン凝縮（BEC）を用いる修正重力理論（MOG）を提案する。フィオンBEC流体は、圧力と粘性がゼロであり、再結合以前にエネルギー密度を支配し、初期の構造形成を可能にし、Ωϕ ≈ 0.3、Ωb ≈ 0.04、ΩΛ ≈ 0.7のパラメータでCMBパワー スペクトルのピークを再現し、非バリオン型暗黒物質を必要とせずにWMAPデータに適合する。

ABSTRACT

A modified gravity (MOG) possesses a light, neutral vector particle called a ``phion'' associated with a vector field $ϕ^μ$, which forms a cold fluid of Bose-Einstein condensates before recombination with zero pressure and zero shear viscosity. The energy density associated with this Bose-Einstein condensate fluid dominates the energy density before recombination and produces a density parameter, $Ω_ϕ\sim 0.3$, that together with the fractional baryon density $Ω_b\sim 0.04$, and a cosmological constant parameter $Ω_Λ\sim 0.7$ yields an approximate fit to the data for the acoustical oscillations in the CMB power spectrum. The quantum phion condensate fluid is abundant well before recombination and can clump and form the primordial structure for galaxies. At late times in the expanding universe, in local bound systems such as galaxies ordinary baryonic matter dominates the matter density. For galactic systems in the present epoch, the modified Newtonian acceleration law determined by MOG describes well galaxy rotation curve data and X-ray cluster mass profile data.

研究の動機と目的

• 非バリオン型暗黒物質を仮定せずに、CMBパワー スペクトルの音響振動を説明すること。
• 初期銀河の形成を、フィオンの量子流体を用いて再結合以前に説明すること。
• 単一の修正重力フレームワーク内で、銀河の回転曲線、クラスタの質量プロファイル、CMBデータの記述を統一すること。
• シルク減衰を回避するフィオンBEC流体を用いて、大規模構造形成のメカニズムを提供すること。

提案手法

• 時間的・距離的変動を、正規化群の流れに従って変化させる動的ベクトル場φμ（フィオン）およびスカラー場G、ω、μを有する修正重力（MOG）理論を導入する。
• 再結合以前の宇宙を、バリオン・光プラズマと、圧力がゼロで、せん断粘性がゼロの非相対論的フィオンBECからなる二成分流体としてモデル化する。
• CMB揺らぎスペクトルの計算に、ムフャンホフの解析的公式を適用し、Ωb ≈ 0.04、Ωϕ ≈ 0.3、ΩΛ ≈ 0.7、H₀ = 71 km/s/Mpcを用いてピークの位置と高さを算出する。
• フィオン凝縮波動関数の非線形グロス＝ピタエフスキー方程式の古典的極限から、有効な修正ニュートン加速度法則を導出する。
• 再結合の前後でG、ω、μが正規化された定数値に達すると仮定し、宇宙論的モデルの安定化を図る。
• フィオンBEC流体を、冷たく、非相対論的で、自己重力を持つ流体とみなす。この流体は、再結合以前に凝縮し、原始銀河構造を形成できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正重力理論は、非バリオン型暗黒物質を仮定せずに、CMBパワー スペクトルの最初の3つのピークを説明できるか？
• RQ2 バリオン・光プラズマの揺らぎがシルク減衰によって消去される中で、再結合以前に構造形成がどのように可能になるか？
• RQ3 フィオン粒子のボース＝アインシュタイン凝縮は、銀河形成における冷たい暗黒物質の代替として妥当な代替手段となるか？
• RQ4 MOGにおける修正ニュートン加速度法則は、暗黒物質ホールを仮定せずに、銀河の回転曲線とクラスタの質量プロファイルを正確に再現できるか？
• RQ5 フィオンBEC流体は、銀河やクラスタ形成に必要な大規模密度揺らぎをシルク減衰を回避して維持できるか？

主な発見

• MOGモデルは、Ωb ≈ 0.04、Ωϕ ≈ 0.3、ΩΛ ≈ 0.7を用いて、WMAPデータと一致するCMBパワー スペクトルのピークを再現する。
• 圧力と粘性がゼロのフィオンBEC流体は、シルク減衰を回避でき、再結合以前に原始銀河構造へと揺らぎが成長する。
• モデルは、M₀とr₀を普遍的に固定した後、自由パrameterが1つだけの質量対光度比⟨M/L⟩で、銀河回転曲線データとX線クラスタ質量プロファイルに適合する。
• フィオンBEC流体は、軽く、冷たく、バリオンでない流体として、大スケールで宇宙論的エネルギー密度を支配し、銀河の重力的種子を提供する。
• フィオン凝縮波動関数から導出された修正ニュートン加速度法則は、暗黒物質ホールを仮定せずに、スパイラル銀河の平坦な回転曲線をうまく説明する。
• 理論は、太陽系から最後の散乱面までの距離の16桁のスケールにわたる重力の記述を、一組の動的定数と場を用いて統一的に説明する。