[論文レビュー] Structure Growth and the CMB in Modified Gravity (MOG)

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、重力の修正（MOG）が、ダークマターを仮定せずに宇宙構造形成およびCMBパワー スペクトルを説明できることを提案している。そのために、光で中性なベクトル粒子「フィオン」を導入する。フィオンは初期宇宙のエネルギー密度を支配し、圧力のないジェインズに類似したメカニズムにより、摂動の急速な成長を可能にする。一方、バリオンと光子の振動は、プランク2013年のデータと一致するCMBの音響ピークを生成する。また、モデルは重力定数を増強することで、銀河パワー スペクトルにも適合する。

ABSTRACT

An important piece of evidence for dark matter is the need to explain the growth of structure from the time of horizon entry and radiation-matter equality to the formation of stars and galaxies. This cannot be explained by using general relativity without dark matter. So far, dark matter particles have not been detected in laboratory measurements or at the LHC. We demonstrate that enhanced structure growth can happen in a modified gravity theory (MOG). The vector field and particle introduced in the theory to explain galaxy and cluster dynamics plays an important role in generating the required structure growth. The particle called the phion (a light hidden photon) is neutral and is a dominant, pressureless component in the MOG Friedmann equations, before the time of decoupling. The dominant energy density of the phion particle in the early universe, generates an explanation for the growth of density perturbations. The angular acoustical power spectrum due to baryon-photon pressure waves is in agreement with the Planck 2013 data. As the universe expands and large scale structures are formed, the density of baryons dominates and the rotation curves of galaxies and the dynamics of clusters are explained in MOG, when the phion particle in the present universe is ultra-light. The matter power spectrum determined by the theory is in agreement with current galaxy redshift surveys.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論においてダークマターを導入せずに、宇宙構造形成問題を解決すること。
• バリオンのみと修正重力を使って、観測されたCMBの角スペクトルを説明すること。
• MOGが銀河赤方偏移調査で観測された物質パワー スペクトルを再現できることを示すこと。
• 将来の高赤方偏移銀河調査によって、MOGが予測するパワー スペクトルにおける振動がΛCDMと区別できるかどうかをテストすること。

提案手法

• スカラー場μ(x)がフィオン質量を決定する、共変なSTVG作用に質量があり中性なベクトル場φμを導入する。
• フィオンエネルギー密度ρϕが非結合以前に支配するように、修正されたフレリッドマン方程式を導出する。これにより、圧力のない摂動成長が可能になる。
• MOGにおける重力定数G = GN(1+α)を用いて構造成長を増幅し、ΛCDMの有効な密度対比と一致させる。
• 赤方偏移スケーリングを用いて伝達関数を適用し、(GNρ)ΛCDM ≈ (GN(1+α)ρϕ)MOGを満たすことで、CMBパワー スペクトルを一致させる。
• 光子結合を伴う標準のジェインズ方程式を用いてバリオンの力学をモデル化し、CMBにおける音響振動を生成する。
• 窓関数をMOGの物質パワー スペクトルに適用して予測をなめらかにし、明るい赤方偏移銀河調査データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MOGは、非バリオン的ダークマターを仮定せず、ホライズン進入から銀河形成までの間に大規模構造の成長を説明できるか？
• RQ2 バリオンと修正重力のみを用いて、MOGモデルがΛCDMと同程度にCMBの角スペクトルを正確に再現できるか？
• RQ3 重力定数Gを増強し、フィオンが支配する初期宇宙を想定したMOGの物質パワー スペクトルが、現在の銀河赤方偏移調査データと一致するか？
• RQ4 将来の高赤方偏移銀河調査によって、MOGが予測するパワー スペクトルにおける振動が、ΛCDMと区別できるか？
• RQ5 超軽量のフィオン粒子（mϕ ≈ 2.6×10−28 eV）は、初期宇宙における構造形成と、後期の銀河運動にどのように寄与するか？

主な発見

• 初期宇宙で質量mϕ ≫ 10−28 eVであるフィオン粒子は、圧力のない成分として、放射・物質等価以降から非結合までの間に、ジェインズに類似したメカニズムにより、密度摂動の急速な成長を可能にする。
• 赤方偏移スケーリングを用いて (GNρ)ΛCDM ≈ (GN(1+α)ρϕ)MOG を適用した場合、MOGにおけるCMBの角スペクトルはプランク2013年のデータと一致する。
• 窓関数を適用したMOGの物質パワー スペクトルは、明るい赤方偏移銀河調査データに対して、ΛCDMの予測と同程度に適合する。
• フィオン質量は初期宇宙では重く（mϕ ≫ 10−28 eV）あり、今日では超軽量（mϕ = 2.6×10−28 eV）に進化し、後期の銀河回転曲線との一致を可能にする。
• モデルは、将来の調査で高赤方偏移銀河標本と狭い窓関数を用いることで、物質パワー スペクトルにおける検出可能なバリオン音響振動を予測する。
• MOGは、太陽系のテスト、銀河回転曲線、クラスタの力学、大規模構造形成を、一つの相対論的かつ共変な枠組みで成功裏に統合する。